PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD

RADIOCIÊNCIA - ELETROMAGNETISMO ASTROFÍSICA BIBLIOGRAFIA   FÍSICA BIBLIOGRAFIA  FÍSICA MODERNA BIBLIOGRAFIA     Hayt, W. H.

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#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#PY5AAL INTRODUÇÃO

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#PY5AAL O eletromagnetismo é uma interação que ocorre entre partículas com carga elétrica via 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 duas partículas carregadas. As forças elétricas 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 de força de Ampère para magnetismo; a força de Lorentz descreve partículas microscópicas carregadas. A força eletromagnética é responsável por muitos dos fenômenos químicos e físicos observados na vida diária. A atração eletrostática entre os núcleos atômicos e seus elétrons mantém os átomos unidos. As forças elétricas também permitem que diferentes átomos se combinem em moléculas, incluindo as macromoléculas , como as 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 em química de 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.

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#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 autossustentáveis . 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. Na era moderna, os cientistas continuaram a refinar o teorema do eletromagnetismo para levar em conta os efeitos da física moderna , incluindo a mecânica quântica e a relatividade . As implicações teóricas do eletromagnetismo, particularmente 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. Enquanto isso, o campo da eletrodinâmica quântica (QED) modificou as equações de Maxwell para serem consistentes com a natureza quantizada da matéria. No QED, as mudanças no campo eletromagnético são expressas em termos de excitações discretas, partículas conhecidas como fótons , os quanta de luz. A investigação dos fenômenos eletromagnéticos começou há cerca de 5.000 anos. Há evidências de que as antigas civilizações chinesa , [1] maia , [2] e potencialmente até mesmo egípcia sabiam que o mineral naturalmente magnético magnetita tinha propriedades atraentes, e muitos o incorporaram em sua arte e arquitetura. [3] Os povos antigos também conheciam os relâmpagos e a 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 carga elétrica quando era 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 fenómeno poderia estar ligado ao poder de atração do âmbar, prenunciando as profundas ligações entre a eletricidade e o magnetismo que seriam descobertas mais de 2.000 anos depois. 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 da religião e não da ciência (o relâmpago, por exemplo, era considerado uma criação dos deuses em muitas culturas).

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#PY5AAL Eletricidade e magnetismo foram originalmente considerados duas forças separadas. Essa visão mudou com a publicação de A Treatise on Electricity and Magnetism [5] , 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 eletricas se atraem ou se repelem com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas: cargas diferentes atraem, cargas iguais se repelem. [6]. Os pólos magnéticos (ou estados de polarização em pontos individuais) atraem-se ou repelem-se uns aos outros de uma maneira semelhante às cargas positivas e negativas e existem sempre como pares: cada pólo norte está ligado a um pólo sul. [7]. 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. [8] 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. [8] 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 do fenômeno, nem tentou representá-lo em uma estrutura matemática. No entanto, três meses depois, ele começou investigações mais intensivas. [9] [10] 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 ao campo do eletromagnetismo. [11] 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, observada por Michael Faraday , ampliada por James Clerk Maxwell e parcialmente reformulada por Oliver Heaviside e Heinrich Hertz , é uma das principais realizações da física matemática do século XIX . [12] 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 quantizadas e autopropagadas do campo eletromagnético oscilatório chamadas fótons . Diferentes frequências de oscilação dão origem a diferentes formas de radiação eletromagnética , desde ondas de rádio nas frequências mais baixas, à luz visível em frequências intermediárias, até 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 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. [13] Uma conexão anterior (1735), e frequentemente negligenciada, entre eletricidade e magnetismo foi relatada pelo Dr. Cookson. [14] O relato afirmava: 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 pegaram os pregos. Nisso, todo o número foi testado, e descobriu-se que fazia o mesmo, e isso, a tal ponto que pegava grandes pregos, agulhas de embalagem e outras coisas de ferro de peso considerável... ET Whittaker sugeriu em 1910 que este evento específico 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 ." [15]

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#PY5AAL A força eletromagnética é a segunda mais forte das quatro forças fundamentais conhecidas . Opera com alcance infinito. [16] Todas as outras forças (por exemplo, fricção , forças de contato) são derivadas dessas quatro forças fundamentais e são conhecidas como forças não fundamentais . [17] Em alta energia, a força fraca e a força eletromagnética são unificadas como uma única interação chamada interação eletrofraca . [18] Grosso modo, todas as forças envolvidas nas interações entre átomos podem ser explicadas pela força eletromagnética atuando entre os núcleos atômicos eletricamente carregados e os elétrons dos átomos. As forças eletromagnéticas também explicam como essas partículas carregam 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 aquelas nos objetos. A força eletromagnética também está envolvida em todas as formas de fenômenos 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 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. [19] 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. [20] Os marinheiros notaram que os relâmpagos tinham a capacidade de perturbar a agulha da 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 m de altura em vez de uma pipa e ele extraiu com sucesso faíscas elétricas de uma nuvem. [21] [22] 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 a agulha de uma bússola próxima . No entanto, o efeito não se tornou amplamente conhecido até 1820, quando Ørsted realizou uma experiência semelhante. [23] O trabalho de Ørsted influenciou Ampère a conduzir novos 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. [24] 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 os desenvolvimentos anteriores em uma única teoria, propondo que a luz era uma onda eletromagnética que se propagava. no éter luminoso . [25] 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 . [26] 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 as duas teorias (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. (Para mais informações, consulte História da relatividade especial .) Além disso, a teoria da relatividade implica que em referenciais móveis, 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 .) Hoje, poucos problemas no eletromagnetismo permanecem sem solução. Estes incluem: a falta de monopolos magnéticos , a controvérsia Abraham-Minkowski e o mecanismo pelo qual alguns organismos podem sentir campos elétricos e magnéticos .

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#PY5AAL As equações de Maxwell são lineares, pois uma mudança nas fontes (cargas e correntes) resulta em uma mudança proporcional nos campos. A dinâmica não linear pode ocorrer quando os campos eletromagnéticos se acoplam à matéria que segue leis dinâmicas não lineares. [27] Isto é estudado, por exemplo, na disciplina de magnetohidrodinâmica , que combina a teoria de Maxwell com as equações de Navier-Stokes . [28] Outro ramo do eletromagnetismo que trata da não linearidade é a óptica não linear .

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#PY5AAL UNIDADES

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)

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#PY5AAL No sistema eletromagnético CGS , a corrente elétrica é uma grandeza fundamental definida pela lei de Ampère e toma a permeabilidade como uma grandeza adimensional (permeabilidade relativa) cujo valor no vácuo é a unidade . [30] Como consequência, o quadrado da velocidade da luz aparece explicitamente em algumas das equações que inter-relacionam grandezas neste sistema. 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 existe correspondência direta entre as unidades eletromagnéticas no SI e as do 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 Gaussiano , "ESU", "EMU" e Heaviside – Lorentz . Entre essas opções, as unidades gaussianas são as mais comuns atualmente e, de fato, a frase "unidades CGS" é frequentemente usada para se referir especificamente às unidades CGS-Gaussianas . [32]

REFERÊNCIAS E MATERIAL DE CONSULTA

 1 Meyer, Herbert (1972). Uma História da Eletricidade e do Magnetismo . pág. 2.

2 Revista, Smithsonian; Aprenda, Joshua Rapp. "Esculturas mesoamericanas revelam conhecimento inicial do magnetismo" . Smithsonian Magazine . Recuperado em 2022-12-07 .

3 du Trémolet de Lacheisserie, É.; Gignoux, D.; Schlenker, M. (2002), du Trémolet de Lacheisserie, É.; Gignoux, D.; Schlenker, M. (eds.), "Magnetismo, do alvorecer da civilização até hoje" , Magnetism , Nova York, NY: Springer, pp. 3–18, doi : 10.1007/978-0-387-23062-7_1 , ISBN 978-0-387-23062-7, recuperado em 07/12/2022

4 Meyer, Herbert (1972). Uma História da Eletricidade e do Magnetismo . páginas 3–4.

5 "Um Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo" . Natureza . 7 (182): 478–480. 24 de abril de 1873. Bibcode : 1873Natur...7..478. . doi : 10.1038/007478a0 . ISSN0028-0836 .​ S2CID10178476 .​  

6 "Por que cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem?" . Science ABC . 2019-02-06 . Recuperado em 2022-08-22 .

7 "O que faz os ímãs se repelirem?" . Ciência . Recuperado em 22/08/2022 .

8 Jim Lucas Contribuições de Ashley Hamer (2022-02-18)."O que é a Lei de Indução de Faraday?".livescience.com. Recuperado em 2022-08-22 .

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10 Bevilacqua, Fábio; Giannetto, Enrico A., eds. (2003). Volta e a história da eletricidade . Milão: U. Hoepli. ISBN 88-203-3284-1. OCLC  1261807533 .

11 Roche, John J. (1998). A matemática da medição: uma história crítica . Londres: Athlone Press. ISBN 0-485-11473-9. OCLC40499222  .​

 12 Darrigol, Olivier (2000). Eletrodinâmica de Ampère a Einstein . Nova York: Oxford University Press. ISBN 0198505949.

13 Martins, Roberto de Andrade. "Romagnosi e a pilha de Volta: primeiras dificuldades na interpretação da eletricidade voltaica" (PDF) . Em Fabio Bevilacqua; 14 Lucio Fregonese (eds.). Nuova Voltiana: Estudos sobre Volta e seu tempo . Volume 1 3. Universidade de Estudos de Pavia. págs. 81–102. Arquivado do original (PDF) em 2013-05-30 . Recuperado em 2010-12-02 .

15 VIII. Um relato de um efeito extraordinário de relâmpagos na comunicação de 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

16 Whittaker, ET (1910). Uma História das Teorias do Éter e da Eletricidade da Era de Descartes até o Fim do Século XIX . Longmans, Green and Company.

17 Rehm, Jeremy; publicado, Ben Biggs (2021-12-23). ​​"As quatro forças fundamentais da natureza" . Space.com . Recuperado em 2022-08-22 .

18 Browne, "Física para Engenharia e Ciência", p. 160: "A gravidade é uma das forças fundamentais da natureza. As outras forças, como atrito, tensão e a força normal, são derivadas da força elétrica, outra das forças fundamentais. A gravidade é uma força bastante fraca... A força elétrica a força entre dois prótons é muito mais forte do que a força gravitacional entre eles."

19 Salam, A.; Ward, JC (novembro de 1964). “Interações eletromagnéticas e fracas” . Cartas de Física . 13 (2): 168–171. doi : 10.1016/0031-9163(64)90711-5 .

20 Purcell, "Eletricidade e Magnetismo, 3ª Edição", p. 546: Capítulo 11 Seção 6, "Spin do elétron e momento magnético".

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22 "Relâmpago! | Museu de Ciência, Boston" .

23 Tucker, Tom (2003). Parafuso do destino: Benjamin Franklin e sua farsa de pipa elétrica (1ª ed.). Nova York: Assuntos Públicos. ISBN 1-891620-70-3. OCLC51763922  .​

24 Stern, Dr. David P.; Peredo, Mauricio (2001-11-25). "Magnetic Fields – History" . NASA Goddard Space Flight Center . Recuperado em 2009-11-27 .

25 "Andre-Marie Ampère" . ETHW . 2016-01-13 . Recuperado em 2022-08-22 .

26 Purcell, p. 436. Capítulo 9.3, "A descrição de Maxwell do campo eletromagnético estava essencialmente completa."

27 Purcell: p. 278: Capítulo 6.1, "Definição do campo magnético". Força de Lorentz e equação de força.

28 Jufriansah, Adi; Hermanto, Arief; Toifur, Moh.; Prasetyo, Erwin (18/05/2020). “Estudo teórico das equações de Maxwell em óptica não linear” . Procedimentos da Conferência AIP . 2234 (1): 040013. Bibcode : 2020AIPC.2234d0013J . doi : 10.1063/5.0008179 . ISSN0094-243X .​ S2CID219451710 .​  

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32 União Internacional de 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 eletrônica. 

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