O eletromagnetismo é a área da física que estuda a relação entre a eletricidade e o magnetismo. A palavra magnetismo vem do francês magnétisme, enquanto eletricidade vem do francês électricité, que deriva do grego ἤλεκτρον (electron).
O que é carga elétrica?
Teorias atômicas que tentaram descrever o átomo surgiram desde o século XIX, com John Dalton. A ideia de que o átomo era o que constituía a matéria acarretou na conclusão de que a eletricidade é uma propriedade das partículas elementares que compõem esses átomos: os elétrons e os prótons.
Elétrons são partículas que têm carga elementar negativa, ficando em camadas que se assemelham a nuvens em torno do núcleo do átomo. Enquanto isso, os prótons têm carga positiva e ficam no núcleo do átomo.
Eletrização
Podemos eletrizar um corpo ao dar eletricidade a ele. Existe um processo chamado eletrização por contato, que ocorre quando dois corpos de materiais diferentes e eletricamente neutros são pressionados um contra o outro e então os elétrons de um deles vai para o outro.
O corpo que adquire os novos elétrons fica eletricamente negativo e o que perde elétrons se torna eletricamente positivo.
Também temos o processo de eletrização por indução, no qual um corpo indutor carrega um corpo induzido.
Lei de Couloumb
A intensidade das forças de interação (F), que é a atração e repulsão de cargas elétricas q1 e q2, é diretamente proporcional ao produto dessas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, como mostra a equação da Lei de Coulomb:
Essa constante K está relacionada ao meio em que essas duas partículas estão imersas.
A direção da força entre essas duas cargas está relacionada com o sinal dessas cargas. O sentido é de repulsão se elas tiverem o mesmo sinal e a mesma atração quando forem de sinais diferentes, como mostra a imagem abaixo.
Exemplos
1) Calcule a distância entre duas partículas de cargas q1 = 4,5 nC e q2 = 12 nC, sabendo que elas se atraem com uma força de intensidade F = 450 µN.
Da lei de Coulomb temos:
RESPOSTA: 3.10^-2 metros.
O que é um campo elétrico?
Ao eletrizarmos um objeto, como descrevemos acima, dizemos que esse objeto criou um campo elétrico ao seu redor. Se, por exemplo, eletrizarmos um canudo e encostarmos ele perto de um pêndulo feito com barbante e papel alumínio, você perceberá que o disco de papel alumínio se afasta, como mostra a imagem abaixo.
Sendo assim, como é possível o canudo eletrizado repelir o disco do pêndulo?
Existe uma região de influência do canudo, por causa da carga elétrica que ele possui, que chamamos de campo elétrico. Este é a força provada pela ação das cargas elétricas.
Vetor campo elétrico
O campo elétrico define-se como uma grandeza vetorial por ter intensidade, direção e sentido. Esse vetor é esquematizado por: E = F/q, em que sua unidade de medida será N/C (Newton por Coulomb), ou E = K. (Q/d²).
Como mostra a imagem abaixo, a segunda equação pode ser obtida pela primeira:
Campo magnético
O conceito de campo surgiu com a observação do efeito que um imã produzia ao seu redor, uma região que foi chamada de campo magnético. Lembrando que um imã possui dois polos que se opõem entre si, podemos visualizar essas linhas de força do campo magnético ao ver as limalhas de ferro próximas de um imã, como mostra a imagem abaixo.
Essas linhas observadas são as linhas do campo magnético, sendo equivalentes às linhas do campo elétrico que estudamos acima.
O vetor campo magnético é também equivalente ao vetor campo elétrico estudado acima e é tangente às linhas do campo magnético, como mostra a imagem a seguir:
é também equivalente ao vetor campo elétrico estudado acima e é tangente às linhas do campo magnético, como mostra a imagem a seguir:
A linha da agulha de uma bussola, colocada nos mesmos pontos do vetor campo magnético , terá a mesma direção desse vetor.
Se uma partícula que está em um ponto P, tem velocidade (v) e sofre a ação de uma força F, associamos a esse ponto um vetor campo magnético , que forma com o vetor velocidade v um ângulo Ө.
Observe a imagem abaixo para entender o que foi descrito acima:
O vetor campo magnético é então dado por:
A direção e o sentido desse vetor podem ser obtidos pela regra da mão direita.
O que é eletromagnetismo?
Hoje se sabe que eletricidade e magnetismo são aspectos de um mesmo fenômeno: o eletromagnetismo. Mas, uma característica importante os distingue, no magnetismo não existe conceito equivalente à carga elétrica, embora exista o conceito de polo magnético, com propriedades semelhantes às cargas elétricas.
Na eletricidade existem cargas elétricas opostas (positivas e negativas); enquanto isso no magnetismo não existem polos magnéticos isolados.
A eletricidade e o magnetismo foram por muito tempo confundidos como o mesmo fenômeno, mas, depois de serem diferenciados, têm aspectos que mostram relação entre eles.
A partir do que foi dito acima, podemos finalmente estudar os seus conceitos.
Indução eletromagnética
As cargas elétricas em movimento acabam gerando campos magnéticos, ou seja, campos elétricos variáveis geram campos magnéticos, e vice-versa.
Ao imergir um condutor em um campo magnético, o fluxo magnético que o atravessa faz aparecer uma corrente elétrica, ou seja, a variação de fluxo magnético produz campo elétrico.
Chamamos esse fenômeno de Indução Eletromagnética, também conhecida como Lei de Faraday. Faraday observou esse fenômeno ao realizar o experimento de Oersted, que utilizou um núcleo de ferro e duas bobinas para mostrar que a variação do fluxo magnético também gerava corrente elétrica.
Equações de Maxwell
James Clerk Maxwell fez um estudo inverso ao aquele apresentado por Faraday: ele descobriu que um campo elétrico ou uma corrente elétrica variável cria um campo magnético.
Observando a variação do campo elétrico sob o campo magnético, Maxwell propôs 4 equações, as chamadas equações de Maxwell, prevendo, então, as ondas eletromagnéticas.
Ou seja, Faraday mostrou que campos magnéticos geravam campos elétricos e Maxwell mostrou que campos elétricos criam campos magnéticos.
Ondas eletromagnéticas
O movimento de cargas elétricas cria um campo elétrico à sua volta, ou seja, gera uma perturbação no espaço. Da mesma maneira, a corrente elétrica gera perturbações no espaço, que criam campos magnéticos, como foi descrito acima por Maxwell.
Uma carga acelerada produz uma perturbação que cria campos elétricos e campos magnéticos que oscilam em uma mesma frequência e são autossustentáveis.
A onda eletromagnética seria então uma combinação de um campo elétrico e um campo magnético se propagando pelo espaço. Essas ondas geram campos eletromagnéticos.
Isso foi criado por Maxwell e demonstrado mais adiante por Heinrich Hertz. Graças a Maxwell, ocorreu, por fim, a união da eletricidade, do magnetismo e da óptica.
Como já foi dito, a onda de um campo elétrico unida a um campo magnético produz um campo eletromagnético, como mostra a imagem abaixo:
Exercícios Resolvidos
Descreva o que são ondas eletromagnéticas.
R: É uma oscilação em duas fases: fases dos campos elétricos e campos magnéticos. Elas se auto sustentam e são separadas das cargas que lhe deram origem.
