Eletromagnetismo: eletricidade e magnetismo

Tu és o Deus que fazes maravilhas; tu fizeste notória a tua força entre os povos.

A voz do teu trovão estava no céu; os relâmpagos iluminaram o mundo; a terra se abalou e tremeu.

Salmos 77:14, 18

A coluna de hoje colocará mais um tijolo na construção do entendimento, de forma simples e acoplada com a fé cristã (nunca esqueça: CosmoTeo – Cosmologia e Teologia no mesmo universo!), do eletromagnetismo. Na coluna anterior dessa mesma temática trouxe algumas definições do que é eletromagnetismo (eletricidade + magnetismo) e um pouco da história. Esse último ponto é particularmente importante para nós, cristãos, porque o físico que sintetizou todo o nosso conhecimento do eletromagnetismo (chamamos isso de unificação das leis da física), é James Maxwell. Talvez você não esteja lembrado desse nome, mas é dele que vem a nomenclatura sobre as leis de Maxwell (4 leis) que, essencialmente, é a base de toda a nossa tecnologia (desde a energia elétrica até a conexão de satélites). E qual é a conexão entre Maxwell e nós, cristãos? Ele também era um cristão, fervoroso, diretor de laboratório de pesquisa em física https://www.phy.cam.ac.uk/history/cavprof e presbiteriano (na Escócia). Só para você ter uma ideia, veja a imagem abaixo:

Bem na parte de cima dessas portas, que é a entrada antiga do laboratório de física de Cambridge, está escrito, em latim (traduzido): “Grandes são as obras do Senhor; nelas meditam todos os que as apreciam”. Isso é um verso bíblico que se encontra em Salmos 111:2. Escrito em uma porta de um laboratório de pesquisas em física. Só isso já daria uma boa história para conhecermos (ainda pretendo falar um pouco mais de Maxwell na série Ciência e Fé Cristã, onde trabalho, de forma bem mais direta, a ligação entre esses 2 campos).

Antes de mencionar, explicitamente, as quatro leis do eletromagnetismo que são, de certa forma, sintetizadas e conhecidas como leis de Maxwell, vou trabalhar com outras leis “periféricas”, mas muito importantes.

CARGA ELÉTRICA

Carga é uma propriedade intrínseca à matéria, uma característica. Por exemplo, quando digo que tenho 68 kg de massa isso significa que tenho uma característica intrínseca que pode ser comparável a outros corpos semelhantes ao meu (que tem uma cabeça, braços, pernas, abdômen etc).

Na coluna anterior dessa série Eletromagnetismo mencionei sobre a unidade fundamental do eletromagnetismo: carga elétrica. Essa propriedade é intrínseca à matéria e, para sentirmos no mundo real, basta tomar um choque ou ver raios em um período de chuvas. Essa carga tem um valor bem definido, que é de 1,6.10-19 C (não se preocupe com essas unidades, caso não se lembre, ou dê uma olhada em qualquer livro de física do 3º ano do ensino médio. Além da carga elétrica, simbolizada pela letra e, outro fundamento para as partículas (prótons, elétrons e nêutrons, que são os agentes mais diretos do eletromagnetismo) é a massa. Apenas para comparação, 1 elétron “pesa” 9,1.10-31 kg ou 0,00000000000000000000000000000091 kg. O próton é quase 2 mil vezes mais pesado que isso, mas é igualmente pequeno para no nosso mundo. Mas, temos que ter em mente: essas partículas formam átomos, que formam moléculas, que forma células, que formam tecidos e, por fim, formam o nosso corpo.

LEI DE COULOMB

Uma importante lei do eletromagnetismo é a de Coulomb. Ela é muito semelhante à lei de gravitação universal de Newton:

onde

  • F = força eletromagnética
  • k = constante que vale 9.109 Nm2/C2
  • Q1 e Q2 = são as cargas (positiva ou negativa)
  • d = distância

Como sempre, ignore as equações ou cálculos. Tenha atenção ao que está acontecendo, aos fenômenos em si (claro que você pode conferir tudo isso nas equações e nas contas). Mas, note uma coisa muito interessante: a constante k aqui tem, em escala, 109 (1.000.000.000) e a G, da lei de gravitação universal, uma escala de 10-11 (0,00000000001). Ou seja, a força eletromagnética é muitas vezes mais forte que a força gravitacional. E dá para provar isso facilmente: jogue uma caneta ao chão; agora, pegue-a e levante-a até a sua altura. Pronto: você acaba de vencer a gravidade do planeta Terra inteiro interferindo na caneta só com a força eletromagnética de suas mãos!

Um outro ponto de comparação entre a força eletromagnética e a gravitacional: no eletromagnetismo há positivo e negativo, ou seja, você pode ter forças de atração ou repulsão (por exemplo, brinque com 2 imãs e verá isso na prática). Já na gravitacional, há apenas (teoricamente) força de atração.

CAMPOS ELÉTRICO E MAGNÉTICO

Um outro conceito que foi mencionado na coluna anterior desta série é a do campo elétrico. Campo, de forma geral, é algo muito difícil de se definir e entender no nosso dia a dia. Mas, para efeitos práticos aqui, campos elétrico e magnético seria a atuação da força eletromagnética em uma região do espaço. No caso do campo elétrico, duas figuras podem ajudar:

Campo elétrico gerado por uma carga negativa. As linhas, que são imaginárias e apenas representativas, tem sentido de fora para dentro (linhas com setas são os vetores).
Fonte: https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/campo3.php
Campo elétrico gerado por uma carga positiva. As linhas, que são imaginárias e apenas representativas, tem sentido de dentro para fora (linhas com setas são os vetores).
Fonte: https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/campo3.php

Já o campo magnético tem uma analogia muito parecida com o campo elétrico em termos de funcionamento. Algumas diferenças é que não há cargas magnéticas livres como há no caso do eletromagnetismo: você sempre terá polo norte e sul magnéticos no mesmo material mesmo se dividi-lo. A tradicional representação, com linhas imaginárias para visualização de intensidade e dinâmica, é

ELETRICIDADE + MAGNETISMO = ELETROMAGNETISMO

Um fenômeno interessante, que foi descoberto ainda no séc. XIX por físicos diferentes é que o campo magnético gera o campo elétrico e vice-versa. Aliás, a variação da intensidade dos campos: campos uniformes não geram um ao outro no nível macroscópico. Isso despertou a curiosidade e, claro, impulsionou a industrialização. Veja a figura abaixo:

Uma barragem é construída com intuito de armazenar uma grande quantidade de água. Por uma pequena passagem, uma parte dessa água entra. No meio da passagem há umas pás (turbina) construídas de metal. Ao redor das pás há bobinas (gerador) que fica dentro de uma sala (casa de força). A água move as pás, as pás são feitas de metais e que tem cargas livres e que passam a se movimentar. Com o movimento das cargas, há corrente elétrica. Com a variação da corrente elétrica há indução de campo magnético. Com campo magnético variando há indução de corrente elétrica que vai para os fios (linhas de distribuição de energia). E assim temos eletricidade chegando em nossas casas. O que muda, nas usinas geradoras de energia, é a forma de girar as pás: pode ser com água de rio (hidrelétrica), aquecimento de caldeira por carvão ou outro tipo de combustível (termoelétrica), com movimento de ventos (eólica), solar (um pouco diferente) ou nuclear (fissão de átomos que esquentam uma caldeira com água).

LEI DE OHM E EFEITO JOULE

Uma lei muito importante e é conhecido por nós, de forma prática, é a lei de Ohm. Ela diz que uma corrente elétrica que passa por um dispositivo (aparelho, fio, ar etc) é sempre diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada a esse dispositivo. Uma figura falará por mil palavras:

Volt é a diferença de potencial; é aquilo que temos nas tomadas (110 V / 220 V) ou nas pilhas (5 V, 12 V etc). Amp é a representação de corrente elétrica que medimos na unidade ampère; conhecemos como 10 A, 25 A etc. o Ohm é a lei, que tem representação matemática bem definida; aqui ele faz o papel de dificultar a corrente dada a proporcionalidade do Volts.

Um efeito bem mais palpável que pode derivar dessa lei é o Joule: aquecimento de dispositivos. Por exemplo, quando você utiliza seu celular, geralmente ele aquece (alguns até muito). Isso acontece porque há corrente elétrica passando pelo dispositivo e isso causa transformação de parte da energia elétrica em térmica. Hoje em dia ainda temos muitos aparelhos, além do celular, que utilizam essa energia térmica: ferro de passar roupas, lâmpadas com filamento e chuveiro. O princípio desses dispositivos é a corrente elétrica passando pelo fio, com alta resistência (lei de Ohm) e provocando aquecimento.

CONCLUSÃO

Poderia passar páginas e páginas de explicação, apenas textual, de todo o eletromagnetismo, efeitos, leis, equações e fenômenos naturais e industriais. Mas, acho que você já entendeu os pilares: corrente elétrica, carga elétrica, eletricidade, magnetismo e imãs. Lembre-se que toda a nossa tecnologia, da mais remota e simples (da época das revoluções industriais) até as mais complexas computações quânticas com inteligência artificial, tem em seu cerne o eletromagnetismo (clássico e quântico).

Nessa série, o que preciso que você entenda é como funciona o seu dia a dia: calor do Sol, um bom banho quente em uma época fria, manusear seu celular ou aquecer algum alimento no forno elétrico. Entendendo o princípio gerador desses fenômenos ficará muito mais fácil para entender cosmologia https://horadeberear.com.br/tag/serie-cosmologia/ e, principalmente, o inicio do universo (que ainda trabalharei em uma série específica).

Tudo isso é muito lindo e complicadíssimo (não, não é complicado; mas sei que você, se não for da área de exatas ou tiver algum trauma da falta de didática de professores do ensino médio, pode sentir), mas qual a relação de tudo isso com a teologia? Tudo isso é criação de Deus nos mínimos detalhes e revelação de Si.

Porque nele foram criadas todas as coisas que há nos céus e na terra, visíveis e invisíveis, sejam tronos, sejam dominações, sejam principados, sejam potestades. Tudo foi criado por ele e para ele.

Colossenses 1:16

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.
Magnetar J1818.0-1607. Magnetar é um tipo de estrela de nêutrons (estrela formada apenas por partículas nêutrons) com um campo magnético muito forte: é o maior conhecido no universo.
Fonte: https://chandra.harvard.edu/photo/2021/j1818/
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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