Eletromagnetismo: história e definições

E disse Deus: Haja luz; e houve luz.

Gênesis 1:3

A coluna de hoje perpassará por uma temática extremamente interessante e fundamental para, literalmente, todos os fenômenos que utilizamos no nosso dia a dia: eletromagnetismo. Para se ter ideia do que esse campo da física representa: ele é a base para todo o desenvolvimento científico, tecnológico, computacional e medicinal. Ou seja, é a área que está por trás da vida humana, desde o simples fato de olhar (com os olhos mesmo) até a nossa vida de forma saudável. E algo que amarra a nossa vida espiritual é que Moisés, o escritor de Gênesis, coloca a luz como a primeira criação de Deus: tecnicamente falando, a luz não é bem um objeto criado, mas algo intrínseco a natureza (isso é sutilmente diferente). E, como veremos nessa minissérie, o fato do Criador escrever as leis físicas já introduz, automaticamente, a luz como fenômeno físico em funcionamento no início de tudo.

O que proponho a fazer nessa minissérie é algo bastante simples: apresentar o que é o eletromagnetismo, um pouco de contexto histórico de sua formulação (no séc. XIX), as leis (4 leis ou também conhecidas como leis de Maxwell), algumas aplicações (spoiler: em tudo) e a sua finalização, ainda no crepúsculo do séc. XIX, como a teoria de unificação de toda a natureza. Por último, a sua conexão com a Relatividade Especial (RE): este elo vai marcar os limites da mecânica newtoniana ou clássica, abrindo portas para o que chamaremos de física moderna (que envolve, além da relatividade, a mecânica quântica). Tudo isso que falarei você pode encontrar facilmente em qualquer livro de física do 3º ano do ensino médio, novo ou mais antigo; é claro que deixarei uma lista de livros e artigos como sugestão de leitura para aprofundamento.

DEFINIÇÃO

Começando com o termo, eletromagnetismo vem de duas palavras: eletricidade e magnetismo. Eletricidade vem do grego que, traduzido, significa âmbar. Âmbar é uma resina que, friccionada, poderia ser eletricamente carregada. Uma forma bem simples de fazer algo semelhante: pegue um pente de cabelo, passe-o em sua cabeça (seca) e chegue perto de pedaços pequenos de papel. Veja que os papéis serão atraídos.

Pente, após ser atritado com cabelo seco, tem uma quantidade maior de cargas elétricas. Com isso, ele atrai pedaços de papel que, incialmente, não tem cargas elétricas livres, mas que se juntam na zona de contato e se prendem ao pente.
Fonte: http://eletercidade.blogspot.com/2012/09/processo-de-eletrizacao.html

Um fluxo de cargas elétricas formará a eletricidade. A forma mais conhecida na natureza de eletricidade é o relâmpago: um fluxo elétrico onde cargas elétricas se movimentam de um local a outro (entre nuvens ou entre nuvens e chão).

Algumas expressões utilizadas em eletricidade:

  • Carga elétrica: é uma propriedade da matéria. Toda propriedade intrínseca começa com esse termo carga: carga elétrica, carga massa (massa ou comumente chamado de peso na balança), carga cor (propriedade de partículas quarks) e carga sabor (outro tipo de propriedade dos quarks, mas não tem relação com cores que conhecemos);
  • Campo elétrico: efeito produzido, no espaço, pela carga elétrica;
  • Corrente elétrica: é a quantidade de cargas elétricas que passam por uma determinada região do espaço em um determinado período;
  • Potencial elétrico: é a capacidade da carga elétrica de realizar algum tipo de trabalho (“fazer” força em uma determinada região);
  • Potência elétrica: é a quantidade de energia elétrica transformada em um determinado período. O clássico exemplo é a potência elétrica de um chuveiro (como 4.200 W).

Se não lembra ou não pegou todas essas definições, não há problema; não farei cálculos com eles. Apenas tente entender os conceitos, que poderei utilizar em outros contextos.

Esquema, muito simplificado, do átomo. As cargas positivas (prótons), negativas (elétrons) e neutras (nêutrons) são exemplos de cargas elétricas. Cargas elétricas podem ser um fluxo de elétrons ou conjunto de átomos eletricamente positivos (com falta de elétrons) ou negativos (com excesso de elétrons).
Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-carga-eletrica.htm

A outra parte da expressão eletromagnetismo vem de um fenômeno semelhante: magnetismo. Essa palavra advém de um minério, magnetita, que tem propriedades naturais de magnetismo. Um imã é o clássico exemplo de um objeto com magnetismo natural. Assim como na eletricidade, temos os mesmos termos (potencial, campo etc) aplicado ao magnetismo.

As cargas elétricas, convencionalmente, são positivas e negativas. Podem viver isoladamente, em partículas ou conjuntos. Já o magnetismo é convencionado a ser polo norte e polo sul (não tem relação alguma com os polos geográficos). Diferente das cargas positivas ou negativas, o magnetismo nunca se encontra isolado: sempre teremos polos norte e sul.

Esquema de um imã com polo norte (N) e polo sul (S). As linhas saindo do N e entrando no S são os campos magnéticos. Falaremos posteriormente sobre esse detalhe.
Fonte: https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/campo.php

HISTÓRIA

Eletricidade e magnetismo são fenômenos conhecidos pela humanidade há milênios. Um relâmpago em uma tempestade, âmbar ou objetos friccionados atraindo outros já faz parte da vida social desde que o homem se juntou em grupo. Dando um salto na história, apenas no séc. XIX é que esses dois fenômenos começaram a ser reparados como tendo uma natureza em comum.

Pedaço de âmbar, depois de atritado com um tecido, atraindo penas de aves. O processo é semelhante ao pente, depois de atritado com cabelos, atrai pedaços de papel.
Fonte: https://ccult.org/eletrostatica-contra-a-covid-19/

Hans Christian Oersted, no início do séc. XIX, observou que uma agulha de uma bússola se movia, alinhando-se, quando estava em cima de um fio que estava conectado a uma bateria. Em seus trabalhos, depois de intensa observação ao longo de muito tempo, ele fez uma conexão que hoje, de forma resumida, é: a variação de um campo elétrico (uma passagem de uma corrente elétrica em um fio, por exemplo) provoca ou induz um campo magnético.

Esquema do experimento de Oersted. Ao ligar um fio a 2 pilhas, a agulha da bússola se alinha ao campo elétrico criado pelo movimento da corrente elétrica.
Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/hans-christian-oersted.htm

André-Marie Ampère, Joseph Henry e Michael Faraday são grandes físicos do séc. XIX que, partindo dos experimentos de Oersted, demonstrou o que modernamente podemos enunciar: a variação de um campo magnético (como um imã dentro de uma bobina de fios) provoca ou induz um campo elétrico. Trabalhando de forma independente e por diversos caminhos, esses mestres da física desenvolveram a matemática, as leis e a comprovação experimental da relação entre eletricidade e magnetismo. É claro que há diversos outros experimentais e teóricos da eletricidade e do magnetismo. Citarei outros quando especificar algumas leis do eletromagnetismo.

O experimento ao contrário de Oersted: ao passar um imã por um anel de fio é observado uma corrente elétrica (i). Mas isso ocorre apenas quando há movimento. Esse fenômeno é conhecido como lei de Faraday-Lenz que veremos em breve.
Fonte: http://educacao.globo.com/fisica/assunto/eletromagnetismo/inducao.html

CONCLUSÃO

Hoje quero ficar apenas nesse pequeníssimo histórico e nessas poucas definições. Nas próximas colunas dessa minissérie explorarei algumas leis, alguns fenômenos clássicos e, principalmente, aquilo que chamamos de leis de Maxwell.

Representação do campo magnético terrestre. Observe que o polo sul magnético aponta para o polo norte geográfico da Terra e vice versa. Falei um pouco sobre isso na coluna aqui.
Fonte: https://www.ufjf.br/fisicaecidadania/aprendendo-e-ensinando/faca-voce-mesmo/magnetismo-terrestre-um-laboratorio-natural/

Esse assunto será fundamental para entendermos o geomagnetismo (que já trabalhei em outra coluna) e para compreendermos outros assuntos, como nascimento do universo (a força eletromagnética é essencial no início de tudo) e uma provável nova física (ainda trarei esse assunto para o CosmoTeo).

Para finalizar, caso você não conheça Maxwell fora dos livros de física do ensino médio, uma frase desse físico e cientista do séc. XIX:

quando examinamos as verdades da ciência e descobrimos que podemos não somente dizer ” é assim”, mas “deve ser assim, pois, do contrário, não seria coerente com os primeiros princípios da verdade”[…], devemos pensar que grande coisa estamos dizendo, quando pronunciamos uma sentença sobre da criação e dizemos que são verdadeiras ou corretas, quando julgamos pelos princípios da razão. Não é maravilhoso que a razão do homem tenha sido feita juíza das obras de Deus e meça, pondere e calcule, dizendo, enfim: “Entendo o que descobri – é correto e verdadeiro.

A penúltima curiosidade: como a ciência navega nas questões últimas da existência: Roger Wagner, Andrew Briggs, p. 371

Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • A penúltima curiosidade: como a ciência navega nas questões últimas da existência, por Roger Wagner, Andrew Briggs, editora Ultimato em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Em qualquer livro do ensino médio, 3º ano, você encontrará sobre eletromagnetismo. Caso você não tenha qualquer livro em casa (mesmo o que os livros antigos; física não se desatualiza) recomendo o site https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/cargas.php. Nessa página, especificamente, começa o assunto sobre eletromagnetismo e indo no botão Próxima poderá navegar nos outros conteúdos relacionados.
Vulcão Taal, nas Filipinas, antes de entrar em atividade.
Fonte: https://epoca.globo.com/mundo/erupcao-de-vulcao-nas-filipinas-causa-violenta-tempestade-eletrica-veja-video-24186670
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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