INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇOCAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHOPROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD - NOTAS DE AULAENSINO TECNOLÓGICO - 02 NOTAS DE AULA ELETROMAGNETISMO - ANTENASINTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDNOTASDEAULA#PY5AAL   Em física, eletromagnetismo é uma interação que ocorre entre partículas com carga elétrica por meio de campos eletromagnéticos. A força eletromagnética é uma das quatro forças fundamentais da natureza. É a força dominante nas interações de átomos e moléculas. O eletromagnetismo pode ser pensado como uma combinação de eletrostática e magnetismo, que são fenômenos distintos, mas intimamente interligados. Forças eletromagnéticas ocorrem entre quaisquer partículas carregadas, causam atração entre partículas com cargas opostas e repulsão entre partículas com a mesma carga, enquanto o magnetismo é uma interação que ocorre entre partículas carregadas em movimento relativo. Essas duas forças são descritas em termos de campos eletromagnéticos. Objetos carregados macroscópicos são descritos em termos da lei de Coulomb para eletricidade e da lei da força de Ampère para magnetismo, a força de Lorentz descreve partículas carregadas microscópicas.

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDNOTASDEAULA#PY5AAL   A força eletromagnética é responsável por muitos dos fenômenos químicos e físicos observados na vida diária. A atração eletrostática entre núcleos atômicos e seus elétrons mantém os átomos juntos. As forças elétricas também permitem que diferentes átomos se combinem em moléculas, incluindo as macromoléculas, como proteínas, que formam a base da vida. Enquanto isso, as interações magnéticas entre os momentos magnéticos de spin e momento angular dos elétrons também desempenham um papel na reatividade química, tais relações são estudadas na química do spin. O eletromagnetismo também desempenha vários papéis cruciais na tecnologia moderna: produção, transformação e distribuição de energia elétrica, produção e detecção de luz, calor e som, comunicação por fibra óptica e sem fio, sensores, computação, eletrólise, galvanoplastia, e motores e atuadores mecânicos, enfim, todos os fenômenos relacionados.

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDNOTASDEAULA#PY5AAL   O eletromagnetismo tem sido estudado desde os tempos antigos, muitas civilizações antigas, incluindo os gregos e os maias, criaram teorias abrangentes para explicar os raios, a eletricidade estática e a atração entre pedaços magnetizados de minério de ferro. No entanto, foi somente no 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 como Coulomb, Gauss e Faraday desenvolveram leis homônimas que ajudaram a explicar a formação e a interação dos campos eletromagnéticos. Esse processo culminou na década de 1860 com a descoberta das equações de Maxwell, um conjunto de quatro equações diferenciais parciais que fornecem uma descrição completa dos campos eletromagnéticos clássicos. As equações de Maxwell forneceram uma base matemática sólida para as relações entre eletricidade e magnetismo que os cientistas vinham explorando há séculos e previram a existência de ondas eletromagnéticas. Maxwell postulou que tais ondas compõem a luz visível, o que mais tarde foi demonstrado ser verdade. Raios gama, raios X, radiação ultravioleta, visível, infravermelha, micro-ondas e ondas de rádio foram todos determinados como radiação eletromagnética, diferindo apenas em sua faixa de frequências.

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDNOTASDEAULA#PY5AAL   Na era moderna, os cientistas continuam a refinar a teoria do eletromagnetismo para explicar os efeitos da física moderna, incluindo a mecânica quântica e a relatividade. As implicações teóricas do eletromagnetismo, particularmente a exigência de que as observações permaneçam consistentes quando vistas de vários referenciais móveis (eletromagnetismo relativístico) e o estabelecimento da velocidade da luz com base nas propriedades do meio de propagação (permeabilidade e permissividade), ajudaram a inspirar a teoria da relatividade especial de Einstein em 1905. A eletrodinâmica quântica (EDQ) modifica as equações de Maxwell para serem consistentes com a natureza quantizada da matéria. Na EQQ, as mudanças no campo eletromagnético são expressas em termos de excitações discretas, partículas conhecidas como fótons , os quanta de luz.

HISTÓRICO

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#NOTASDEAULA#PY5AAL   A investigação sobre fenômenos eletromagnéticos começou há cerca de 5.000 anos. Há evidências de que as antigas civilizações chinesa , maia e potencialmente até egípcia sabiam que o mineral naturalmente magnético magnetita tinha propriedades atrativas, e muitos o incorporaram em sua arte e arquitetura. Os povos antigos também estavam cientes dos raios e da eletricidade estática, embora não tivessem ideia dos mecanismos por trás desses fenômenos. O filósofo grego Tales de Mileto descobriu por volta de 600 a.C. que o âmbar podia adquirir uma carga elétrica quando esfregado com um pano, o que lhe permitia pegar objetos leves, como pedaços de palha. Tales também experimentou a capacidade das rochas magnéticas de se atraírem, e levantou a hipótese de que esse fenômeno poderia estar conectado ao poder atrativo do âmbar, prenunciando as profundas conexões entre eletricidade e magnetismo que seriam descobertas mais de 2.000 anos depois. 

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#NOTASDEAULA#PY5AAL   Apesar de toda esta investigação, as civilizações antigas não tinham qualquer compreensão da base matemática do eletromagnetismo e, muitas vezes, analisavam os seus impactos através das lentes da religião e não da ciência, os relâmpagos, por exemplo, eram considerados uma criação dos deuses em muitas culturas. Eletricidade e magnetismo foram originalmente considerados duas forças separadas. Essa visão mudou com a publicação de A Treatise on Electricity and Magnetism de James Clerk Maxwell em 1873 , no qual as interações de cargas positivas e negativas foram mostradas como mediadas por uma força. Existem quatro efeitos principais resultantes dessas interações, todos os quais foram claramente demonstrados por experimentos. Cargas elétricas se atraem ou se repelem com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, cargas opostas atraem-se, cargas semelhantes repelem-se. Os polos magnéticos, ou estados de polarização em pontos individuais, atraem-se ou repelem-se de forma semelhante às cargas positivas e negativas e existem sempre em pares, cada polo norte está ligado a um polo sul. 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. Uma corrente é induzida em um laço de fio quando ele é movido em direção ou para longe de um campo magnético, ou um ímã é movido em direção ou para longe dele, a direção da corrente depende da direção do movimento. 

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   Em abril de 1820, Hans Christian Ørsted observou que uma corrente elétrica em um fio fazia com que uma agulha de bússola próxima se movesse. Na época da descoberta, Ørsted não sugeriu nenhuma explicação satisfatória para o fenômeno, nem tentou representá-lo em uma estrutura matemática. No entanto, três meses depois, ele começou 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 unidade CGS de indução magnética Oersted é nomeada em homenagem às suas contribuições para o campo do eletromagnetismo.  Suas descobertas resultaram em pesquisas intensivas em toda a comunidade científica em eletrodinâmica. Elas influenciaram os desenvolvimentos do físico francês André-Marie Ampère de 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. Esta unificação, que foi 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. Teve consequências de longo alcance, uma das quais foi a compreensão da natureza da luz. Ao contrário do que foi proposto pela teoria eletromagnética da época, a luz e outras ondas eletromagnéticas são atualmente vistas como assumindo a forma de perturbações de campo eletromagnético oscilatório quantizado e autopropagante, chamadas fótons. Diferentes frequências de oscilação dão origem a diferentes formas de radiação eletromagnética, desde ondas de rádio nas frequências mais baixas, até luz visível em frequências intermediárias e raios gama nas frequências mais altas. 

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   Ørsted não foi a única pessoa a examinar a relação entre eletricidade e magnetismo. Em 1802, Gian Domenico Romagnosi, 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 através da 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 em 1735, e frequentemente negligenciada, entre eletricidade e magnetismo foi relatada pelo Dr. Cookson. O relato afirmava que um comerciante em Wakefield, Yorkshire, tendo colocado um grande número de facas e garfos em uma caixa grande, e tendo colocado a caixa no canto de uma sala grande, aconteceu uma tempestade repentina de trovões, relâmpagos, etc. O dono esvaziou a caixa em um balcão onde alguns pregos estavam, as pessoas que pegaram as facas, que estavam sobre os pregos, observaram que as facas  atraíram os pregos. Whittaker sugeriu em 1910 que este evento em particular foi responsável por fazer com que o relâmpago fosse creditado com o poder de magnetizar o aço, e foi sem dúvida isto que levou Franklin em 1751 a tentar magnetizar uma agulha de costura por meio da descarga de potes de Leyden. 

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   A força eletromagnética é a segunda mais forte das quatro forças fundamentais conhecidas e tem alcance ilimitado. Todas as outras forças, conhecidas como forças não fundamentais como atrito, forças de contato, são derivadas das quatro forças fundamentais. Em alta energia, a força fraca e a força eletromagnética são unificadas como uma única interação chamada interação eletrofraca. A maioria das forças envolvidas nas interações entre átomos são explicadas por forças eletromagnéticas entre núcleos atômicos eletricamente carregados e elétrons. A força eletromagnética também está envolvida em todas as formas de fenômenos químicos.

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   O eletromagnetismo explica como os materiais carregam momento apesar de serem compostos de partículas individuais e espaço vazio. As forças que experimentamos ao "empurrar" ou "puxar" objetos materiais comuns resultam de forças intermoleculares entre moléculas individuais em nossos corpos e nos objetos. As forças efetivas geradas pelo momento do movimento dos elétrons são uma parte necessária da compreensão das interações atômicas e intermoleculares. À medida que os elétrons se movem entre átomos que interagem, eles carregam o momento com eles. À medida que uma coleção de elétrons se torna mais confinada, seu momento 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.

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   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 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 por Benjamin Franklin  em 1752 foram conduzidos em 10 de maio de 1752 por Thomas-François Dalibard da França usando uma barra de ferro de 12 metros, 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 foi Gian Romagnosi, que em 1802 notou que conectar um fio através de uma pilha voltaica desviava 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 conduzir mais experimentos, que eventualmente deram origem a uma nova área da física, a eletrodinâmica. Ao determinar uma lei de força para a interação entre elementos da corrente elétrica, Ampère colocou o assunto em uma base matemática sólida.

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   Uma teoria do eletromagnetismo, conhecida como eletromagnetismo clássico, foi desenvolvida por vários físicos durante o período entre 1820 e 1873, quando foi publicado o tratado de James Clerk Maxwell, que unificou desenvolvimentos anteriores em uma única teoria, propondo que a luz era uma onda eletromagnética que se propagava no éter luminífero. 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 da força de Lorentz. Uma das peculiaridades do eletromagnetismo clássico é que 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 maneira de conciliar o eletromagnetismo e mecânica clássica é assumir a existência de um éter luminífero através do qual a luz se propaga. No entanto, 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. 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.

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   Atualmente, poucos problemas no eletromagnetismo permanecem sem solução. Estes incluem a ausência de monopolos magnéticos, a controvérsia Abraham-Minkowski, a localização no espaço da energia do campo eletromagnético, e o mecanismo pelo qual alguns organismos podem sentir campos elétricos e magnéticos.

#professorAngeloAntonioLeitholdNotasDeAula#py5aal   As equações de Maxwell são lineares, pois uma mudança nas cargas e correntes resulta em uma mudança proporcional dos campos. A dinâmica não linear pode ocorrer quando campos eletromagnéticos se acoplam à matéria que segue leis dinâmicas não lineares. Isso é estudado pela magnetohidrodinâmica, que combina a teoria de Maxwell com as equações de Navier-Stokes. Outro ramo do eletromagnetismo que lida com a não linearidade é a óptica não linear.

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fessor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Ele se formou em Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978, fez mestrado em Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982 e doutorado em Física pela USP em 1987. Sua tese de doutorado foi sobre a propagação de ondas de rádio na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul1. Leithold tem uma vasta experiência em pesquisa e ensino, tendo lecionado em diversas instituições, incluindo o Colégio Estadual do Paraná, o Senai e a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Ele também é autor de vários trabalhos acadêmicos e livros, e é conhecido por seu envolvimento com o estudo da Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. O professor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições em diversas áreas científicas e educacionais. Ele se destaca principalmente nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Formação Acadêmica e Carreira  Graduação: Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978. Mestrado: Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982. Doutorado: Física pela USP em 1987, com a tese intitulada “Estudo da Propagação de Ondas de Rádio na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul Pós-Doutorado: Astrofísica pela Universidade de Brasília (UnB) em 19921.Contribuições e Pesquisas Leithold é autor de diversos trabalhos acadêmicos e livros, e suas pesquisas são amplamente citadas por outros pesquisadores. Ele é especialmente conhecido por seu estudo sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. Atuação Profissional Ensino Médio: Professor de física no Colégio Estadual do Paraná, onde lecionou por vários anos e participou de projetos pedagógicos e científicos. Ensino Técnico: Professor de eletrônica no Senai e no CEEP, desenvolvendo instrumentos e métodos para medir e analisar sinais eletromagnéticos. Ensino Superior: Professor de pedagogia na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), ministrando cursos sobre didática, metodologia científica e tecnologia educacional12. Outras Atividades Além de suas atividades acadêmicas, Leithold é um radioamador ativo, conhecido pelo indicativo PY5AAL. Ele também tem um blog onde compartilha suas pesquisas e experiências1. O indicativo PY5AAL pertence ao professor Ângelo Antônio Leithold, um radioamador brasileiro com uma vasta experiência e paixão pelo radioamadorismo. Ele é conhecido por seus experimentos com antenas e pela participação ativa na comunidade de radioamadores. Atividades e Contribuições Antenas: Leithold realiza experimentos com diferentes tipos de antenas, incluindo antenas NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) e antenas Long Wire12. Ele compartilha suas descobertas e métodos de construção de antenas em seu blog e em sites dedicados ao radioamadorismo. Baluns Magnéticos: Ele também trabalha com a construção de baluns magnéticos, que são dispositivos usados para adaptar a impedância entre a antena e o transmissor, melhorando a eficiência da transmissão2. Comunidade: Leithold é ativo na comunidade de radioamadores, participando de eventos e trocando informações com outros entusiastas. Ele utiliza suas habilidades para contribuir com a ciência e a educação, aplicando seus conhecimentos em física e eletrônica. Recursos e Publicações Leithold mantém um blog onde compartilha suas experiências e pesquisas no campo do radioamadorismo. Ele também publica artigos e tutoriais sobre a construção e otimização de antenas e outros equipamentos de rádio3. O professor Ângelo Antônio Leithold tem várias referências acadêmicas e citações em diferentes áreas do conhecimento. Ele é citado em trabalhos sobre geofísica, astrofísica, eletrônica e educação, entre outros. Aqui estão alguns exemplos de onde suas obras e citações podem ser encontradas: Geofísica e Astrofísica: Leithold é frequentemente citado em estudos sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul e a propagação de ondas de rádio1. Eletrônica e Radioamadorismo: Seus trabalhos sobre antenas e baluns magnéticos são amplamente referenciados em publicações técnicas e blogs especializados2. Educação e Pedagogia: Ele também é citado em artigos e teses sobre metodologia científica e tecnologia educacional3. Essas referências estão disponíveis em diversas plataformas acadêmicas e sites especializados, como Google Scholar, Academia.edu e em blogs pessoais do próprio professor12