Eletricidade e magnetismo podem parecer duas forças separadas, baseadas na sua vida cotidiana. Na maioria das vezes, quando se fala em eletricidade, você se refere a correntes elétricas ou cargas elétricas que alimentam os eletrodomésticos do laptop a algo tão simples quanto uma lâmpada.

O magnetismo não é tão comum encontrados, mas todos os alunos da escola já entraram em contato com ímãs de barra antes, que têm um pólo norte e um pólo sul, com pólos repelindo e pólos opostos atraindo.
Eletricidade e magnetismo em física

Isso o entendimento diário das cargas elétricas e da força magnética fornecerá um entendimento básico bastante bom de como a eletricidade e o magnetismo funcionam, mas há muito mais a aprender, desde a origem dos pólos magnéticos até a lei de Ohm, a indução eletromagnética e outros.

Embora sua experiência cotidiana de eletricidade e magnetismo possa levá-lo a situações cotidianas, se você estiver estudando física em níveis mais altos, precisará de uma compreensão muito mais profunda dos fenômenos.

Graças a o trabalho de físicos pioneiros como Michael Faraday e James Clerk Maxwell, os cientistas agora entendem que eletricidade e magnetismo não são forças separadas, mas aspectos diferentes de uma das quatro forças fundamentais: eletromagnetismo.

A principal realização por trás disso foi que os campos magnéticos são realmente produzidos movendo cargas elétricas. A força eletromagnética é completamente descrita pelas equações de Maxwell e, no final deste artigo, você entenderá o que cada uma é e o que ela diz.
O que é eletricidade?

Eletricidade é o nome coloquial de o efeito da força elétrica, que na maioria dos casos envolve a interação entre prótons (as partículas carregadas positivamente no núcleo de cada átomo) e elétrons (partículas carregadas negativamente que existem em uma nuvem ao redor do núcleo).

Quando uma partícula carregada está próxima de outra partícula carregada - por exemplo, dois elétrons próximos um do outro ou um elétron e um próton próximos um do outro - eles têm uma interação que geralmente pode ser descrita usando a lei de Coulomb. Em termos gerais, porém, cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem - exatamente como pólos correspondentes e opostos em um ímã.

A lei de Coulomb afirma que, para duas cargas, q
_{1 e < em> q
2, separados por uma distância r
, a força elétrica tem a magnitude:
F \u003d \\ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}}

Aqui, k
\u003d 1 /4πε _{0 \u003d 9 × 10 ^{9 Nm 2 /C 2 e ε 0 é uma constante chamada permissividade do espaço livre . Se você conhece a lei da gravitação universal, notará que a lei de Coulomb tem uma forma muito semelhante, com as cargas no lugar das massas e k
no lugar de G
. Em particular, ambas são leis quadradas inversas, portanto, mover a carga duas vezes mais longe diminui a força da força em um fator de quatro.}}

No entanto, você também pode descrever a força elétrica usando o conceito de uma eletricidade. campo, que é definido como a força da força em uma “carga de teste” e é definido em todo o espaço com um valor em Newtons por Coulomb.

O campo elétrico é um vetor, portanto, possui ambos uma força e uma direção. Enquanto você pode definir a intensidade do campo elétrico E
simplesmente como E
\u003d F
/ q
, onde q
está a carga de teste, a equação mais útil para isso é a lei de Gauss, uma das equações de Maxwell, que será abordada mais adiante.
O que é magnetismo?

O magnetismo é um pouco mais complicado do que a eletricidade para descrever de uma maneira matemática, mas os princípios básicos são muito semelhantes. Assim como as forças elétricas são descritas como ocorrendo entre cargas positivas e negativas, as forças magnéticas são descritas como ocorrendo entre os pólos norte e sul (ou pólos positivos e negativos) dos ímãs.

Exatamente da mesma maneira que pois forças elétricas, como pólos se repelem, e pólos opostos se atraem. As forças magnéticas também podem ser descritas usando o conceito de campos magnéticos, que - como campos elétricos - são campos invisíveis que permeiam o espaço e representam a capacidade da força magnética de alterar a velocidade das partículas carregadas nas proximidades.

No entanto, os pólos magnéticos existem apenas em pares, como dipolos - não existem monopólos magnéticos. Se existissem monopólos magnéticos, haveria uma lei simples como a lei de Coulomb que se aplicava ao magnetismo, e não à eletricidade, mas o magnetismo é inerentemente um pouco mais complicado do que isso, e, portanto, as forças magnéticas tendem a ser descritas com base nos campos magnéticos gerados por fontes. Por exemplo, existe uma equação para o campo magnético de um solenóide, o campo produzido por um fio que carrega uma corrente elétrica e assim por diante.

Os campos magnéticos são geralmente medidos em unidades de Teslas (T) após o físico Nikola Tesla - ou gauss (G) - em homenagem a Carl Friedrich Gauss - e 1 T \u003d 10.000 G. Esta é tecnicamente uma medida da densidade do fluxo magnético, mas para evitar se atolar nos detalhes precisos, é seguro pensar apenas em isso significa aproximadamente a mesma coisa.

Um ímã forte em laboratório terá um valor de cerca de 1 T, enquanto um imã de geladeira será mais parecido com 0,1 T, então Gauss é geralmente a melhor unidade a ser usada para campos magnéticos cotidianos.
A lei da força de Lorentz e o magnetismo

Se você não quiser trabalhar com as equações de Maxwell, que geralmente são muito mais complicadas, a melhor maneira de calcular a força do magnetismo é usando o Lei da força de Lorentz. Essa é uma lei que engloba os campos magnético e elétrico, combinando dois termos diferentes para prever a força transmitida a uma partícula sob a influência de ambos e a direção da força resultante.

Para a força magnética, o relevante parte da lei de força de Lorentz é:
\\ bold {F} \u003d q \\ bold {v × B}

Onde q
é a carga da partícula que viaja através do campo, v é sua (vetor) velocidade, e B é o campo magnético. Você também deve observar que o símbolo × não é uma multiplicação simples, mas um produto vetorial, que produz uma força em uma direção dada pela regra da mão direita. Simplesmente, a força da força conferida à partícula é dada por:
F \u003d qvB \\ sin (θ)

Onde o ângulo θ
é o ângulo entre a direção da velocidade da partícula e o campo magnético. Isso informa imediatamente que a interação é mais forte quando a partícula está viajando em um ângulo de 90 graus (isto é, perpendicular) ao campo magnético.
A lei da força de Lorentz

A forma completa da lei da força de Lorentz permite que você são responsáveis pelo campo elétrico e pelo campo magnético e têm a forma:
\\ bold {F} \u003d q (\\ bold {E + v × B})

Onde novamente o q
é a carga da partícula, v é sua velocidade e B é a força do campo magnético, mas agora a contribuição do campo elétrico E foi levada em consideração. Se você tem o valor do campo magnético, do campo elétrico, da carga da partícula e de sua velocidade, pode calcular a força e sua direção com relativa facilidade usando a lei de forças de Lorentz.

O único problema é que se você não conhece os detalhes sobre o campo magnético, ainda precisará usar as equações de Maxwell para derivá-las.
Eletromagnetismo e Aplicações

Eletromagnetismo tem uma enorme variedade de aplicações úteis, em particular relacionadas à eletricidade doméstica e à geração de energia.

Para um exemplo simples, o fato de as cargas móveis produzirem um campo elétrico pode ser usado para criar um eletroímã: uma bobina de fio com corrente que circula através dele produzirá um eletroímã básico. Versões enormes e de alta potência dessa mesma tecnologia básica são usadas para mover carros e sucata nos ferro-velho, e isso é muito mais útil do que um ímã permanente para esse fim, pois pode ser desativado para deixar o metal cair.
< A indução eletromagnética é outro aspecto do eletromagnetismo com muitas aplicações. Essa é uma qualidade característica do elo fundamental entre eletricidade e magnetismo: assim como uma carga em movimento gera um campo magnético, um campo magnético variável pode ser usado para induzir uma corrente em um fio.

Isso pode ser feito por basta mover um ímã para trás e para frente no meio de uma bobina de fio, ou você pode usar eletricidade de corrente alternada (CA) para gerar um campo magnético continuamente variável e usá-lo para induzir uma corrente em um fio.

Essas técnicas simples estão subjacentes à operação de ferramentas cruciais, como geradores de energia e motores elétricos. Os geradores de energia funcionam movendo um fio condutor em um campo magnético, induzindo assim uma corrente elétrica.

Por outro lado, os motores elétricos usam um laço de fio condutor de corrente dentro de um campo magnético: quando a corrente flui o fio, ele gera um campo magnético, interagindo com o campo magnético existente e fazendo com que o fio se mova no processo. Em resumo, os geradores transformam movimento em corrente e os motores transformam corrente em movimento.
Equações de Maxwell

Todo o assunto do eletromagnetismo é melhor descrito pelas equações de Maxwell. Existem quatro equações no total: lei de Gauss, lei de não monopolo, lei de Faraday e lei de Ampere. Eles estão escritos na linguagem do cálculo vetorial e são os seguintes:

Lei de Gauss:
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {A} \u003d \\ frac {q} {ε_0 }

Onde E
é o campo elétrico, q
é a carga total e ε
_{0 é a permissividade do espaço livre. Em palavras, isso diz que o fluxo elétrico de qualquer superfície fechada é igual à carga fechada, dividida pela permissividade do espaço livre.}

Nenhuma lei monopolar:
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {A} \u003d 0

O que afirma que o fluxo magnético de qualquer superfície fechada é zero - em outras palavras, monopólos magnéticos não existem!

Lei de Faraday:
\\ int \\ bm {E} d \\ bm {S} \u003d - \\ frac {∂ϕ_B} {∂t}

Onde ϕ
_{B é o fluxo magnético. Isto afirma que o campo elétrico ao redor de um loop fechado é igual a menos a taxa de variação do fluxo magnético através desse loop - esta lei descreve o processo de indução de corrente em um fio usando um campo magnético variável.}

Lei de Amperes:
\\ int \\ bm {B} \\ d \\ bm {S} \u003d - \u003d μ_0I + \\ frac {1} {c ^ 2} \\ frac {∂} {∂t} \\ int \\ bm {E } D \\ bm {A}

Onde μ
_{0 é a permeabilidade do espaço livre e I
é a corrente que flui através do loop. Isso indica que a integral de linha do campo magnético em torno de um loop fechado é proporcional à corrente que flui através do mesmo loop - em outras palavras, que as correntes elétricas geram campos magnéticos.
Usando as equações de Maxwell}

Enquanto o Como a linguagem matemática das equações de Maxwell é complexa (e não pode ser introduzida suficientemente neste artigo), você já deve entender os princípios do eletromagnetismo que elas transmitem.

O processo de usar as equações geralmente envolve a escolha de uma equação apropriada - A lei de Gauss para calcular um campo elétrico devido a alguma cobrança de carga, a lei de Faraday para calcular o campo elétrico induzido devido a uma mudança de campo magnético e a lei de Ampere para calcular campos magnéticos causados por uma corrente elétrica - e depois executar uma integral superfície escolhida adequadamente ou uma área a ser resolvida. A superfície ou área plana é puramente teórica, mas é usada para caracterizar os campos no espaço tridimensional.

Isso geralmente pode ser simplificado se você assumir um campo uniforme na superfície ou área escolhida. Por exemplo, a lei de Gauss para uma esfera de carga fechada pode ser simplesmente escrita:
E 4πr ^ 2 \u003d \\ frac {q} {ε_0}

O que você pode ver simplifica consideravelmente seu uso. Também deixa claro que você pode derivar a lei de Coulomb dessa equação.