Física Experimental 3 - Eletromagnetismo

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Engenharia 
Física Experimental 3
Gabriel Silva
Marina Fendeler
Thuany Valença
Wellington N. da Cunha
Eletromagnetismo
2017.2
Eletromagnetismo
O que é eletromagnetismo
O eletromagnetismo é parte da física que estuda as propriedades elétricas e magnéticas da matéria, em particular as relações estabelecidas entre elas. Denomina-se eletromagnetismo a disciplina científica que estuda as propriedades elétricas e magnéticas da matéria e, em especial, as relações que se estabelecem entre elas.
Eletromagnetismo é a combinação dos fenômenos elétricos e magnéticos.
Conta uma lenda grega que o pastor Magnes se surpreendeu ao ver como a bola de ferro de seu bastão era atraída por uma pedra misteriosa, o âmbar (em grego, elektron). A história demonstra como é antigo o interesse pelos fenômenos eletromagnéticos.
Sendo assim o magnetismo já era conhecido por antigos filósofos gregos que tinham o conhecimento que um pedaço de âmbar, se friccionado, era capaz de atrair fragmentos de palha. Além disso, sabiam que certas pedras encontradas na natureza, hoje conhecidas como magnetitas, eram capazes de atrair o ferro.
A magnetita é a pedra-imã mais magnética de todos os minerais da Terra, e a existência desta propriedade foi utilizada para a fabricação de bússolas. O nome, magnetita vem da região onde a mesma era antigamente encontrada, que era a Magnésia (região da Grecia), e magnésia quer dizer "lugar das pedras mágicas", pois estas pedras "magicamente" atraiam-se.
Essas foram as modestas origens das ciências da eletricidade e do magnetismo. Durante séculos essas duas ciências se desenvolveram independentemente uma da outra. 
No final do século XVIII Charles-Augustin de Coulomb e Henry Cavendish haviam determinado as leis empíricas que regiam o comportamento das substâncias eletricamente carregadas e o dos ímãs. Embora a similaridade entre as características dos dois fenômenos indicasse uma possível relação entre eles, só em 1820 se obteve prova experimental dessa relação, quando o dinamarquês Hans Christian Oersted, ao aproximar uma bússola de um fio de arame que unia os dois pólos de uma pilha elétrica, descobriu que a agulha imantada da bússola deixava de apontar para o norte, orientando-se para uma direção perpendicular ao arame. Descobriu-se então uma conexão entre as duas ciências: uma corrente elétrica, percorrendo um fio, ocasionava a deflexão da agulha imantada de uma bússola. Esse fato ocorreu durante a preparação de uma aula de laboratório para seus alunos.
Pouco depois, André-Marie Ampère demonstrou que duas correntes elétricas exerciam mútua influência quando circulavam através de fios próximos um do outro. Apesar disso, até a publicação, ao longo do século XIX, dos trabalhos do inglês Michael Faraday e do escocês James Clerk Maxwell, o eletromagnetismo não foi e nem começou a ser considerado um autêntico ramo da física.
Na metade do século XIX, James Clerk Maxwell deu formas matemáticas às ideias de Faraday, um dos mais importantes pesquisadores do eletromagnetismo, introduzindo suas próprias ideias e estabelecendo as bases teóricas do eletromagnetismo. No eletromagnetismo as equações de Maxwell desempenham o mesmo papel que as leis do movimento de Newton na mecânica clássica e as leis da termodinâmica no estudo do calor.
Variáveis e magnitudes
Os fenômenos eletromagnéticos são produzidos por cargas elétricas em movimento. A carga elétrica, assim como a massa, é uma qualidade intrínseca da matéria e apresenta a particularidade de existir em duas variedades, convencionalmente denominadas positiva e negativa. A unidade elementar da carga é o elétron, partícula atômica de sinal negativo, embora sua magnitude não resulte em entidade suficiente para cálculos macroscópicos normais. Como unidade usual de carga usa-se então o coulomb; o valor da carga de um elétron equivale a 1,60 x 10-19 coulombs.
Duas cargas elétricas de mesmo sinal se repelem, e quando de sinais contrários se atraem. A força destas interações é diretamente proporcional a sua quantidade de carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Para explicar a existência dessas forças adotou-se a noção de campo elétrico criado em torno de uma carga, de modo que a força elétrica que vai atuar sobre outra carga distanciada da primeira corresponde ao produto da quantidade de carga desta primeira por uma grandeza chamada intensidade de campo elétrico. A energia que este campo transmite à unidade de carga chama-se potencial elétrico e geralmente se mede em volts.
Uma das variáveis magnéticas fundamentais é a indução magnética, intimamente relacionada com a intensidade do campo magnético. A indução representa a força magnetica exercida sobre um corpo por unidade de carga elétrica e de velocidade. A unidade de indução magnética é o tesla, que equivale a um weber por metro quadrado; o weber é uma medida de fluxo magnético (grandeza que reflete a densidade dos campos magnéticos). Tanto a intensidade de campo elétrico e magnético quanto a indução magnética apresentam um caráter vetorial e, por conseguinte, para descrevê-las adequadamente devem-se definir, para cada uma, sua magnitude, direção e sentido.
Por correlacionar a eletricidade e o magnetismo, adquiriu função especial no campo da física a noção de corrente elétrica, entendida como a circulação de cargas livres ao longo de um material condutor. Sua magnitude é determinada pela intensidade da corrente, que é a quantidade de cargas elétricas livres que circulam pelo condutor em um tempo determinado. Chama-se ampère a unidade de intensidade de corrente resultante da passagem em um condutor de um coulomb de carga durante um segundo. Essa unidade tornou-se a mais importante do ponto de vista eletromagnético, levando o sistema internacional de unidades a ter a notação MKSA: metro, quilograma, segundo, ampère.
Divisões do eletromagnetismo
As principais divisões do eletromagnetismo são: Eletrostática, eletrodinâmica e magnetismo.
· Eletrostática: É o ramo da eletricidade que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso, ou fenômenos do equilíbrio da eletricidade nos corpos que de alguma forma se tornam eletrizados. (Figura 1)
Geralmente, a eletricidade estática acontece quando levamos um pequeno choque ao pegar na maçaneta da porta, ao retirar uma blusa de lã e ouvir estalos, etc. Isso acontece porque tudo que existe no universo possui uma grande quantidade de carga, mas nem sempre conseguimos notá-las, por causa do equilíbrio que há entre elas.
Fig. 1
Eletrodinâmica: A eletrodinâmica é a parte da física responsável pelo estudo do comportamento das cargas elétricas em movimento. (figura 2) 
Essa energia se modifica quando há movimento de cargas elétricas, a medida que os elétrons começam a se movimentar, gerando uma corrente elétrica. Nesse caso, a eletricidade passa a ser eletricidade dinâmica ou eletrodinâmica. São exemplos dessa ciência os relâmpagos e as faíscas.
Fig. 2
· Magnetismo: É um fenômeno físico pelo qual alguns materiais exercem força de atração e repulsão sobre outros materiais. (Figura 3) O imã pode representar esse estudo e é todo material que produz um campo magnético a sua volta.
Fig.3
O que é um ímã
É definido com um objeto capaz de provocar um campo magnético à sua volta e pode ser natural ou artificial.
Um ímã natural é feito de minerais com substâncias magnéticas, como por exemplo, a magnetita, enquanto um ímã artificial é feito de um material sem propriedades magnéticas, mas que pode adquirir permanente ou instantaneamente características de um ímã natural.
Os ímãs artificiais também são subdivididos em: permanentes, temporais ou eletroímãs.
· Permanente: É feito de material capaz de manter as propriedades magnéticas mesmo após cessar o processo de imantação, estes materiais são chamados ferromagnéticos.
· Temporal: Tem propriedades magnéticas apenas enquanto se encontra sob ação de outro campo magnético, os materiais que possibilitam este tipo de processo são chamados paramagnéticos.
· Eletroímã: É um dispositivocomposto de um condutor por onde circula corrente elétrica e um núcleo, normalmente de ferro. Suas características dependem da passagem de corrente pelo condutor; ao cessar a passagem de corrente cessa também a existência do campo magnético.
· Polos magnéticos: São as regiões onde se intensificam as ações magnéticas. Um ímã é composto por dois polos magnéticos, norte e sul, normalmente localizados em suas extremidades, exceto quando estas não existirem, como em um ímã em forma de disco, por exemplo. São chamados dipolos magnéticos.
Para que sejam determinados estes polos, devemos suspender o ímã pelo centro de massa e ele se alinhará aproximadamente ao polo norte e sul geográfico, sendo assim nomeados. Desta forma, o polo norte magnético deve apontar para o polo norte geográfico e o polo sul magnético para o polo sul geográfico.
· Atração e repulsão: Manuseando dois ímãs percebemos claramente que há formas de colocá-los para que estes sejam repelidos ou para que sejam atraídos. Isto se deve ao fato de que polos iguais se repelem e polos diferentes se atraem, ou seja: (Figura 4)
Fig. 4
É impossível separar os dois polos magnéticos de um imã, pois toda vez que o dividirmos surgirão novos polos, mantendo-se assim a dipolaridade em qualquer nova fração desse imã.
Geomagnetismo 
 	A Terra é um ímã, ou seja, seu polo norte geográfico está próximo do polo sul magnético, sendo essa a razão pela qual o polo norte da agulha de uma bússola aponta para o norte. (Fig. 5)
Fig. 5
O dipolo magnético terrestre é produzido por uma corrente elétrica que circula no núcleo da Terra. A temperatura no núcleo da Terra é tão alta que nenhum material nele existente poderia contribuir para a sua formação, somente a corrente elétrica poderia produzir esse eletroímã. Isso constitui um dipolo magnético extremamente forte, muitíssimo mais forte do que qualquer eletro-imã fabricado.
Isso não pode ser um fenômeno permanente porque a corrente elétrica dissipa energia (perda por calor) e não existe uma fonte ilimitada de energia disponível para ela. A intensidade do dipolo magnético terrestre está decaindo. Este fenômeno de decaimento fornece pistas para descobrir a origem e o destino do campo magnético terrestre. O dipolo eletromagnético no núcleo da Terra é tão forte que seu campo magnético se estende para fora da superfície terrestre. Pode-se observar esse campo pelo desvio que ele causa na agulha da bússola, fazendo-a apontar para o norte. 
A maior parte do vento solar e parte dos raios cósmicos é desviada pelo campo magnético terrestre antes de atingir a Terra. O campo magnético terrestre exerce pressão contra o vento solar. Esta pressão produz uma “onda em forma de ogiva” (as vezes chamada de “frente de choque”) que se estende para diante da Terra, à distância de muitos raios terrestres. O vento solar tende a se defletir ao passar por esta frente de choque, desviando-se da Terra e garantindo ao ambiente terrestre proteção contra a radiação.
O campo magnético terrestre desvia a trajetória dos raios cósmicos fazendo com que se afastem da Terra. Alguns dos raios cósmicos chegam com tão grande velocidade e em ângulos tais que o campo magnético não é suficientemente forte para desviá-los e afastá-los da Terra. Nas regiões polares, alguns raios podem penetrar ao longo das linhas de força, sem sofrerem nenhum desvio. Nesse caso, não há campo magnético suficiente para proteger a Terra totalmente. 
No entanto, existe uma proteção substancialmente grande contra o vento solar e a radiação cósmica. Como a intensidade do campo magnético tem decaído, essa proteção ambiental também tem diminuído.
As lindas e coloridas auroras do Ártico e da Antártida resultam da radiação que chega até a atmosfera terrestre. Esses raios são “guiados” pelas linhas de força magnéticas que chegam a Terra, na proximidade dos polos. Nenhuma força defletora é exercida neles, consequentemente existe mais radiação incidindo na atmosfera terrestre nas regiões polares. (Fig. 6)
Fig. 6
Influência do eletromagnetismo na Engenharia
Podemos dizer que as mais surpreendentes invenções tecnológicas, nos dois últimos séculos, surgiram da relação entre o magnetismo e a eletricidade, como, por exemplo, o sistema de imagens por ressonância magnética, o aquecedor solar, forno de micro-ondas, celular etc.
· Ressonância magnética: O sistema de imagens por ressonância magnética torna possível a visualização de detalhes do tecido humano que não são visíveis em imagens de raio-x. (Fig. 7)
Fig. 7
· Aquecedor solar: Placas metálicas de cor negra que absorvem a radiação solar, transformando a energia solar em energia térmica, pois a radiação eletromagnética carrega energia consigo.
· Micro-ondas: A água é aquecida através das vibrações causadas em seus dipolos moleculares por micro-ondas, sendo assim, todos os alimentos que possuem ou são misturados à água podem ser aquecidos. Sendo a falta de água em sua composição o trunfo de alguns recipientes que podem ser levados ao micro-ondas.
· Aparelho celular: Um dos aparelhos eletrônicos mais utilizados no mundo hoje em dia, os celulares, são geradores e captadores de campos eletromagnéticos. É possível que um usuário se comunique com outros que estejam do outro lado do mundo, pois as ondas eletromagnéticas são transportadas através do espaço, com o auxílio de satélites.
Estes são pouquíssimos exemplos, pois o eletromagnetismo está aplicado em muitos outros aparelhos e afins, não só na Engenharia, mas como em muitas outras áreas.
Referências Bibliográficas
Origem e destino do campo magnético terrestre / Thomas G. Barnes ;
FISICA TEÓRICA EXPERIMENTAL III, LUCIANE MARTINS DE BARROS;
HALLIDAY D.; RESNICK R. e WALKER J. Fundamentos de Física: Eletromagnetismo. Volume 3. 8ª edição. Editora LTC, 2009.
http://eletromagnetismo.info
http://efisica.if.usp.br
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