Eletromagnetismo

O eletromagnetismo baseia-se no conceito de campo eletromagnético, que é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar numa força eletromagnética quando associada a ímanes. De facto, é a variação do fluxo magnético que resulta num campo elétrico.

A força que um campo eletromagnético exerce sobre cargas elétricas, chamada força eletromagnética, é uma das quatro forças fundamentais.

Efetivamente, as interações entre os átomos são regidas pelo eletromagnetismo, já que são compostos por protões e eletrões, ou seja, por cargas elétricas. Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, há uma única entidade chamada campo eletromagnético.
O eletromagnetismo clássico é baseado nas equações de Maxwell, juntamente com a lei de Lorentz. O desenvolvimento das equações de Maxell e o entendimento do eletromagnetismo, contribuíram significativamente para toda uma revolução tecnológica iniciada no final do século XIX e continuada durante as décadas seguintes.

Equações de Maxwell

Estas equações descrevem como cargas elétricas e correntes elétricas agem como fontes dos campos elétrico e magnético, e como um campo elétrico, que varia no tempo, gera um campo magnético, também variável em função do tempo, e vice-versa.
Entre as quatro equações encontra-se:
• Lei de Gauss;
• Lei de Gauss para o magnetismo;
• Lei de Ampére;
• Lei de Faraday.

Vejamos mais pormenorizadamente cada lei.

Lei de Gauss

Esta lei, elaborada por Carl Friedrich Gauss, descreve a relação entre um campo elétrico e as cargas elétricas geradoras do campo. De facto, é a lei que estabelece a relação entre o fluxo de campo elétrico que passa através de uma superfície fechada com a carga elétrica que existe dentro do volume limitado por esta superfície.
O fluxo de campo elétrico é uma grandeza escalar e pode ser considerado como uma medida do número de linhas de campo que atravessam a superfície.

Lei de Gauss para o magnetismo

Esta lei expressa a inseparabilidade dos polos magnéticos, ou seja, a inexistência de polos magnéticos isolados (monopolos magnéticos). Isto significa que toda linha de campo é uma linha contínua e fechada, ou seja, partindo do polo N vai ao polo S por fora do íman e, daí, por dentro, retorna ao polo N.

Lei de Ampère

Afirma que campos magnéticos podem ser gerados através de correntes elétricas, que é a lei de Ampère original, e através de campos elétricos que variam no tempo, que é a correção proposta por Maxwell. A lei de Ampère permite calcular o campo magnético a partir de uma distribuição da densidade de corrente elétrica, ou de uma corrente elétrica , ambas estacionárias (independentes do tempo).
Esta lei foi proposta originalmente por André-Marie Ampère no século XVIII e diz que “a circulação do campo magnético ao longo de um percurso fechado é igual à permeabilidade magnética no vácuo vezes a corrente total que atravessa a área envolvida”, dada pela seguinte integral de linha:

De acordo com a lei de Ampère, o módulo do campo magnético para um solenoide longo é dado por:

Lei de Faraday

Também chamada de lei da indução magnética, esta lei, elaborada a partir de contribuições de Michael Faraday, Franz Ernst Neumann e Heinrich Lenz, quantifica a indução eletromagnética.
A lei de Faraday-Neumann relaciona a força eletromotriz gerada entre os terminais de um condutor sujeito à variação de fluxo magnético com o módulo da variação do fluxo em função de um intervalo de tempo em que esta variação acontece, sendo expressa matematicamente por:

Segundo a Lei de Faraday, a corrente elétrica é induzida apenas se houver variação do fluxo do campo magnético.
O sinal negativo da expressão é uma consequência da Lei de Lenz, que diz que a corrente induzida tem um sentido que gera um fluxo induzido oposto ao fluxo indutor.

Indução eletromagnética

Quando uma área delimitada por um condutor sofre variação de fluxo de indução magnética é criado entre seus terminais uma força eletromotriz ou tensão. Se os terminais estiverem ligados a um aparelho elétrico ou a um medidor de corrente esta força eletromotriz ira gerar uma corrente, chamada corrente induzida.
Este fenómeno é chamado de indução eletromagnética, pois é causado por um campo magnético e gera correntes elétricas.
A corrente induzida só existe enquanto há variação do fluxo, chamado fluxo indutor.

Lei de Lenz

Esta lei refere-se ao sentido da corrente elétrica induzida.
Segundo a lei proposta pelo físico russo Heinrich Lenz, a partir de resultados experimentais, ”o sentido da corrente elétrica induzida é tal que, por seus efeitos, opõe-se à causa que lhe deu origem”, ou seja, a corrente induzida tem sentido oposto ao sentido da variação do campo magnético que a gera.

• Se houver diminuição do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com o mesmo sentido do fluxo;
• Se houver aumento do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com sentido oposto ao sentido do fluxo.

Assim, a Lei de Lenz evidencia o aparecimento de uma reação contrária a ação provocada pelo íman. Ou seja, se o norte do íman se aproxima da espira, o sentido da força eletromotriz é anti-horário. Isto porque, conforme convencionado, o norte é o sentido positivo da indução magnética. Por sua vez, o sentido do movimento das cargas positivas coincide com o sentido da força eletromotriz induzida, conforme mostra a figura seguinte:

Com efeito não é possível produzir energia elétrica sem que seja realizado um trabalho. Isto é bastante evidente, pois pra mudar o movimento de uma carga elétrica situada em um condutor, cada uma delas tem de receber um impulso, proveniente de uma força aplicada.
Desta forma, mais uma vez fica evidente que grandezas como quantidade de movimento e energia se conservam em todos os processos ocorridos em sistemas isolados na natureza.

Lei de Lorentz

A lei de Lorentz foi descoberta pelo físico holandês Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928).
De acordo com esta lei, a força de Lorentz é a superposição da força elétrica, proveniente de um campo elétrico, com a força magnética, devida a um campo magnético , que atuam sobre uma partícula carregada eletricamente, que se move no espaço.
Essa força é dada por:

Ondas eletromagnéticas

Além de descrever o comportamento do campo elétrico e do campo magnético, as equações de Maxwell possibilitaram a previsão da existência das ondas eletromagnéticas, as quais são muito conhecidas e empregadas na ciência e na tecnologia. São ondas eletromagnéticas:
• Ondas de rádio;
• Micro-ondas;
• Radiação infravermelha;
• Raios X;
• Raios gama;
• Luz visível.

As ondas eletromagnéticas são ondas formadas pela combinação dos campos magnéticos e elétricos que se propagam no espaço perpendicularmente um em relação ao outro e na direção de propagação da energia.
Além disso, são produzidas por fontes constituídas por cargas elétricas em movimento não uniforme. Uma vez produzidas, propagam-se a partir da fonte e independentemente desta, a uma velocidade de 3,0x10^8 m/s, no vácuo.

Apresentam, ainda, propriedades típicas de uma onda mecânica, como reflexão, retração, difração, interferência e transporte de energia.

As características essenciais de qualquer onda eletromagnética são:

• Frequência (n.º de vibrações por cada unidade de tempo) e o comprimento de onda (distância entre dois máximos consecutivos ou distância percorrida pela onda durante um período de vibração, sendo o período o inverso da frequência de vibração),

• Amplitude,
• Direção e velocidade de propagação,

• Polarização (direção de vibração do campo).

A frequência de vibração e o comprimento de onda estão relacionados entre si pela relação:

O sentido de propagação de uma onda eletromagnética pode ser obtido a partir da direção e sentido dos campos elétrico e magnético, aplicando-se a regra da mão esquerda.

No caso das ondas eletromagnéticas, a amplitude da onda é uma medida da intensidade dos campos, medindo-se o campo elétrico em volt por metro [V/m], e o campo indução magnética em tesla [T].
Assim, esclarece-se que na generalidade dos casos nos referiremos à indução magnética, , como sendo o campo magnético, representado habitualmente por, , havendo entre eles uma simples relação de proporcionalidade numa região onde se observe ausência de materiais ( é a constante de permeabilidade magnética do vácuo). A intensidade do campo magnético, , é expressa no sistema internacional de unidades (SI) em ampere por metro [A/m].