Por GAYLE TOWELL • Atualizado em 24 de março de 2022

Eletricidade e magnetismo são duas forças fundamentais que surgem de partículas carregadas. Embora se manifestem de forma diferente, os seus princípios subjacentes são surpreendentemente semelhantes. Abaixo, examinamos os três principais pontos em comum que unem essas forças.

1. Polaridade dupla:os opostos se atraem, os gostos se repelem

Tanto as cargas elétricas quanto os pólos magnéticos existem em pares complementares. As cargas elétricas vêm em variedades positivas (+) e negativas (–), transportadas por prótons e elétrons, respectivamente. Cargas opostas se atraem enquanto cargas semelhantes se repelem, um comportamento que mantém a maioria dos objetos macroscópicos eletricamente neutros.

Da mesma forma, os ímãs possuem pólos norte e sul. Dois pólos norte – ou dois pólos sul – repelem-se, enquanto um pólo norte e um pólo sul se atraem. Ao contrário da gravidade, que apenas atrai, a eletricidade e o magnetismo apresentam interações atrativas e repulsivas.

Embora um ímã seja inerentemente um dipolo – seus pólos não podem ser separados – os dipolos elétricos podem ser formados colocando uma carga positiva e uma negativa a uma pequena distância uma da outra. O dipolo pode ser neutralizado reorientando uma das cargas, ressaltando o contraste entre os dipolos magnéticos e elétricos.

2. Forças relativas entre as forças fundamentais

A força eletromagnética, que abrange efeitos elétricos e magnéticos, é muito mais forte que a gravidade, mas mais fraca que as forças nucleares forte e fraca. Em termos relativos, se a força forte for normalizada para 1, a força eletromagnética mede aproximadamente 1/137, a força fraca cerca de 10 ^-6 , e a gravidade é um infinitesimal 6×10 ^-39 .

Apesar da sua magnitude comparativamente fraca, o eletromagnetismo domina as interações cotidianas porque as cargas e os momentos magnéticos normalmente não são neutralizados; eles podem exercer forças que superam prontamente a atração gravitacional da Terra sobre pequenos objetos.

3. O Campo Unificado do Eletromagnetismo

Historicamente, a eletricidade e o magnetismo foram descobertos como fenômenos distintos. No entanto, o trabalho de cientistas como Michael Faraday e James Clerk Maxwell revelou-os como duas facetas de um único campo eletromagnético.

As experiências de Faraday mostraram que um campo magnético variável induz uma corrente eléctrica numa bobina – um princípio subjacente a todos os geradores eléctricos. As quatro equações de Maxwell formalizaram ainda mais esta relação, prevendo que as ondas eletromagnéticas se propagam à velocidade da luz:

\(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}} =299.792.485\;\text{m/s}\)

Assim, a própria luz é uma onda eletromagnética, ilustrando a profunda unidade destas forças.

Campos elétricos e magnéticos explicados

Assim como a gravidade é descrita por um campo, os campos elétricos e magnéticos caracterizam como as forças agem no espaço. O campo elétrico gerado por uma carga pontual q à distância r é:

\(E =\frac{kq}{r^2}\)

onde k =8,99×10 ⁹  N·m²/C². O campo aponta para longe das cargas positivas e em direção às cargas negativas.

Para um fio longo e retilíneo transportando corrente, o campo magnético à distância r é:

\(B =\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\)

com μ ₀ =4π×10 ^-7  N/A². A direção segue a regra da mão direita.

Leis de Força Chave

A força elétrica sobre uma carga q em um campo elétrico E é:

\(\vec{F} =q\vec{E}\)

A força magnética sobre uma carga em movimento é dada pela lei da força de Lorentz:

\(\vec{F} =q\vec{v} \vezes \vec{B}\)

Para um eu atual fluindo através de um comprimento L em um campo magnético, a força se torna:

\(\vec{F} =I\vec{L} \times \vec{B}\)

Barras magnéticas e movimento de elétrons

Em materiais ferromagnéticos como o ferro, o movimento intrínseco dos elétrons produz momentos magnéticos microscópicos que se alinham paralelamente entre si, criando magnetismo macroscópico. Isso demonstra que o magnetismo é fundamentalmente um efeito elétrico.

Por outro lado, a eletricidade pode ser gerada a partir do magnetismo – uma descoberta que abriu caminho para geradores e sistemas de energia modernos.

A lei de Faraday explica que uma mudança no fluxo magnético induz uma força eletromotriz que se opõe à mudança, incorporando o princípio da indução eletromagnética.

Equações de Maxwell resumidas

As quatro equações de James Clerk Maxwell descrevem sucintamente como os campos elétricos e magnéticos evoluem:

\(\nabla \cdot \vec{E} =\frac{\rho}{\varepsilon_0}\)

\(\nabla \cdot \vec{B} =0\)

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

\(\nabla \times \vec{B} =\mu_0 \vec{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}\)

Estas equações prevêem a existência de ondas eletromagnéticas que viajam à velocidade da luz, unificando a luz com a eletricidade e o magnetismo.

No geral, a natureza interligada do magnetismo e da eletricidade reflete uma estrutura eletromagnética única e elegante que governa o comportamento das partículas carregadas e as forças que elas exercem.

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