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Eletromagnetismo | A unificação da eletricidade e magnetismo

Desde a Grécia antiga que os fenômenos sobre a eletricidade e magnetismo detêm a atenção da humanidade. Com o passar dos séculos muitos estudos e teorias foram sendo acumuladas quando no início do século XVII, as primeiras conclusões com caráter científico sobre assuntos ligados ao eletromagnetismo foram sendo anunciadas, como os trabalhos de William Gilbert (1544 – 1603), que em seu livro “Sobre os ímãs, os corpos magnéticos e o grande imã terrestre” explicou o porquê de a bússola sempre apontar para o norte.

Definição de eletromagnetismo

Eletromagnetismo | A unificação da eletricidade e magnetismo

Na Física, eletromagnetismo é como é chamada a teoria unificada desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo. Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético.

O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força eletromagnética quando associada a ímãs.

A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão). Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.

A unificação da eletricidade e do magnetismo

Na imagem vemos o um circuito de Oersted, que demonstra princípios do eletromagnetismoEntre 1820 e 1830 Faraday e Ampere mostraram que a eletricidade e o magnetismo eram dois aspectos de uma única força – o eletromagnetismo.

Tal interação é muito importante porque é responsável por qualquer ligação química, e se aplica até aos fenômenos de impulsos nervosos, e, por isso e outros aspectos é chamada de “força da vida”. Vale ressaltar que o eletromagnetismo está relacionado ao movimento da carga elétrica, e ao primeiro movimento de um elétron é possível encontrar uma força magnética que não se aferia anterior a tal movimentação da carga. Essa força pode ser facilmente detectada com o uso de uma agulha magnética (bussola) posta próxima do elétron que se move. Tal experimentação foi feita por Oersted que constatou ser verídico esse fenômeno. Este experimento pode ser visto esquematicamente imagem ao lado.

Os séculos XVII, XVIII e XIX podem ser considerados os séculos “dourados” do eletromagnetismo, e isso é devido aos trabalhos de cientistas como Ampère, Georg Simon Ohm (1789 – 1854), Faraday, e muitos outros que contribuirão para a consolidação do eletromagnetismo.

Trabalhos de Ampère e Faraday no eletromagnetismo

Os trabalhos de Ampère

Entusiasmado depois de assistir uma apresentação do físico dinamarquês Oersted, onde este apresentara um trabalho que era resultado de uma experiência feita por ele, o então jovem físico Ampère iniciou várias experimentações que reafirmaram aquilo que Oersted já havia mostrado e ainda descreveu uma lei que regia o fenômeno observado.

O trabalho de Ampère foi semelhante ao de Oersted, e os primeiros resultados tratados por ele referiam-se a intensidade magnética entre dois fios retilíneos dispostos em paralelos.

Mais tarde Ampère anunciou o resultado mais significativo de seu trabalho, dizendo que a intensidade da circulação magnética nas redondezas de um fio é proporcional à intensidade da corrente elétrica total que o atravessa.

A conclusão de Faraday

Em um experimento o cientista Michael Faraday enrolou 70 m de fio de cobre sobre um pedaço de madeira e colocou um galvanômetro no circuito. Fez a mesma coisa em outro fio, porém neste ele inseriu uma bateria. O resultado a princípio mostrou-se bastante frustrante, pois a corrente estacionaria que percorria o segundo circuito não afetava o galvanômetro que estava ligado ao primeiro. Mas algo lhe chamou a atenção, pois quando a corrente que percorria o segundo circuito era cessada havia registro no galvanômetro ligado ao primeiro circuito, e o mesmo efeito era observado quando a corrente era restabelecida no segundo. Logo a conclusão aferida por Faraday foi que a corrente era induzida pela variação do campo magnético.

O uso em larga escala da energia elétrica, que revolucionou toda a sociedade industrial, tornou-se possível graças à descoberta, por Faraday, do fenômeno da indução eletromagnética.

Com essas observações Faraday pode concluir que a indução de uma corrente elétrica dependia apenas da variação do fluxo magnético que passava pelas proximidades de um circuito, e que essa variação poderia ser originada tanto do movimento do gerador do campo magnético permanente quanto do movimento do próprio fio em relação ao ímã.

Consolidação do eletromagnetismo

Com os resultados obtidos por Ampère e Faraday ficou evidente que a eletricidade e o magnetismo possuíam certa equivalência. Então se ambos possuem relações tão intrínsecas, a junção dos mesmos se fez necessária, o que propiciou uma interpretação mais geral e completa dos fenômenos afins. É nesse contexto de unificação da eletricidade e magnetismo que o físico Britânico James Clerk Maxwell[1] em 1861 unificou as leis que regiam tanto a eletricidade quanto o magnetismo, chamando esse conjunto de leis de Eletromagnetismo.

Contudo o eletromagnetismo pode ser resumido em quatro leis – que resultam em quatro equações, as chamadas equações de Maxwell – e que descrevem de maneira geral todos os fenômenos eletromagnéticos.

A primeira lei é conhecida por lei de Gauss (nome decorrente a uma homenagem feita ao matemático e físico alemão Carl Friedrich Gauss (1777- 1855)).

\nabla\,\mathrm{.}\,\vec D\,=\,\rho

A equação acima descreve as relações existentes entre os campos elétricos e as cargas geradoras de tais campos, onde:

  • \nablaé o operador diferencial “nabla”;
  • \vec Dé o deslocamento elétrico;
  • \rhoé a densidade de carga.

A segunda é a “lei de Gauss – magnetismo”, aonde esta afirma, ou seja, o campo magnético é produzido por dipolos que nunca poderão se dissociar de tal forma que sempre estarão presentes o polo norte e o polo sul.

\nabla\,\mathrm{.}\,\vec B\,=\,0

A equação acima representa o fato de que monopolos magnéticos[2] nunca foram observados, onde:

  • \nabla é o operador diferencial “nabla”;
  • \vec D é o vetor campo magnético.

A terceira lei, também chamada de “lei de Faraday” afirma que a variação de um fluxo magnético no decorrer do tempo é capaz de induzir uma corrente elétrica em um fio condutor.

\nabla\,\times\,\vec E=\,-\,\frac{\partial\vec B}{\partial t}

A equação acima expressa matematicamente o fenômeno de indução eletromagnética, onde:

  • \nabla  é o operador diferencial “nabla”;
  • \vec D é o vetor campo elétrico;
  • \frac{\partial\vec B}{\partial t} forma infinitesimal da variação do fluxo do campo magnético em um intervalo de tempo.

A quarta lei é a de Ampère, e afirma que um campo magnético pode ser gerado de duas maneiras distintas.

\nabla\,\times\,\vec H\,=\,\vec J+\frac{\partial\vec D}{\partial t}

A equação acima explicita que um campo magnético é gerado tanto por uma corrente elétrica quanto pela variação do campo elétrico em um dado intervalo de tempo, onde:

  • \nabla é o operador diferencial “nabla”;
  • \vec H é o vetor campo magnético indutor;
  • \vec J é a densidade de corrente elétrica;
  • \frac{\partial\vec D}{\partial t} é forma infinitesimal da variação do fluxo de um campo elétrico em um determinado intervalo de tempo.

O olhar criterioso sobre estas leis mostra que o grande feito de Maxwell foi reunir leis já preexistentes que tratavam dos fenômenos elétrico e magnético de maneira separada em apenas uma série elegante de equações que descreve os mesmos fenômenos de maneira única e inter-relacionada, dando então origem ao eletromagnetismo.

Referências e bibliografia

  • P.A. Tipler, G. Mosca (2008). Physics for Scientists and Engineers: With Modern Physics (6th ed.). W.H. Freeman and Co.
  • GASPAR, A. Física. Volume único. 1ª edição. São Paulo: Ática, 2005.
  • NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física básica – Vol. 3. 1ª edição. São Paulo: Blucher, 1997.

Ligações

Notas

  1. James Clerk Maxwell foi um físico e matemático britânico. É mais conhecido por ter dado forma final à teoria moderna do eletromagnetismo, que une a eletricidade, o magnetismo e a óptica.
  2. É uma partícula elementar hipotética que se comportaria como um ímã de um único polo. Uma das teorias vigentes na atualidade é a chamada teoria das cordas (afirma que as unidade mínimas de formação da matéria são “cordas” vibrantes), e para sua literal fundamentação é necessário que se encontrem monopolos magnéticos.
  3. Este artigo sobre magnetismo escrito com a colaboração de Daniel Mendes Costa Junior.
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Escrito por Ronaldo Rego

Estudante de graduação em física no Instituto Federal do Maranhão – IFMA, astrônomo amador e amante da ciência.

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Eletromagnetismo é a teoria unificada de Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo baseada no conceito de campo eletromagnético.