Como explicar o Eletromagnetismo?

Eletromagnetismo: o que é, conceitos, fórmulas

O Eletromagnetismo é a parte da Física que unifica as áreas de Eletricidade e de Magnetismo, sendo amplamente aplicado na tecnologia para a construção de baterias, de pilhas, de computadores, de celulares, de automóveis e de aeronaves e também na investigação da origem do universo e da matéria.

Tópicos deste artigo

1 - Resumo sobre o Eletromagnetismo
2 - O que é Eletromagnetismo?
3 - Quais são as aplicações do Eletromagnetismo?
4 - Fenômenos e conceitos do Eletromagnetismo
5 - Fórmulas do Eletromagnetismo
6 - Qual a importância do Eletromagnetismo?
7 - Origem e história do Eletromagnetismo
8 - Exercícios resolvidos sobre o Eletromagnetismo

Resumo sobre o Eletromagnetismo

O Eletromagnetismo é uma área da Física unificada no século 19 após a descoberta dos efeitos magnéticos das correntes elétricas.
No Eletromagnetismo, estudamos as leis de Ohm, a lei de Faraday-Lenz, a corrente elétrica, a carga elétrica e muitos outros fenômenos e conceitos.
O Eletromagnetismo é empregado na criação das redes de eletricidade e de telecomunicação, na construção de aviões, de automóveis, de aparelhos eletroeletrônicos e eletrodomésticos, de dispositivos elétricos e em muitas outras coisas.
No Eletromagnetismo, empregamos diversas fórmulas. Algumas delas são a da carga elétrica, a da força elétrica, a do campo elétrico, a do potencial elétrico, a da tensão elétrica, a da capacitância, a da corrente elétrica, a da potência elétrica da força magnética e a do campo magnético.
A origem da Eletricidade e do Magnetismo é datada do século VII e VI a.C., na Grécia Antiga.
A origem do Eletromagnetismo, que une a Eletricidade e o Magnetismo, é datada do século XIX, entre 1820 e 1829, graças aos experimentos do químico e físico Hans Oersted (1777-1851).

O que é Eletromagnetismo?

O Eletromagnetismo é um campo de estudo da Física que investiga a interação entre o campo elétrico e o campo magnético e a produção de campos elétricos e de campo magnéticos por cargas elétricas e por correntes elétricas.

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Quais são as aplicações do Eletromagnetismo?

O Eletromagnetismo é muito comum em nosso dia a dia. Pensando nisso, selecionamos algumas situações em que ele é aplicado:

desenvolvimento de dispositivos elétricos, como baterias, circuitos elétricos, resistores, capacitores, disjuntores, interruptores e muitos outros;
desenvolvimento das redes de eletricidade, de telecomunicação, de aterramento e de fibra óptica;
desenvolvimento de aparelhos eletroeletrônicos e eletrodomésticos, como caixas de som, celulares, televisores, geladeiras, liquidificadores, micro-ondas e muitos outros;
fabricação de carros elétricos;
fabricação da rede elétrica interna de automóveis e de aeronaves;
estudo da origem do universo e da matéria.

Fenômenos e conceitos do Eletromagnetismo

Existem diversos fenômenos e conceitos estudados no Eletromagnetismo. Abaixo, estão descritos os principais:

Carga elétrica: propriedade das partículas elementares que é quantizada e conservada.
Força elétrica: força que indica a interação entre cargas elétricas.
Campo elétrico: campo produzido em uma região por meio de um corpo carregado.
Lei de Gauss: descreve que o fluxo de campo elétrico sobre uma superfície fechada (gaussiana) é proporcional à carga elétrica total no interior dessa superfície.
Potencial elétrico: indica o trabalho da força elétrica para mover uma carga elétrica de um ponto A para um ponto B em um local com campo elétrico.
Capacitância: mede a capacidade de armazenamento de cargas elétricas em capacitores.
Corrente elétrica: é o fluxo ordenado de elétrons no interior de um condutor.
Potência elétrica: indica a energia elétrica consumida por um circuito elétrico durante um determinado tempo.
Resistência elétrica: propriedade que evita a passagem de corrente elétrica no circuito elétrico.
Tensão elétrica: diferença de potencial elétrico entre um ponto A e um ponto B.
Campo magnetico: campo que pode ser produzido através do movimento de partículas carregadas ou pode ser próprio da matéria.
Força magnética: força perpendicular ao campo magnético e à velocidade de uma carga elétrica.
Fluxo magnético: fluxo de campo magnético que penetra em uma área da superfície.
Lei de Faraday-Neumann-Lenz: indica que a força eletromotriz e a corrente elétrica induzida surgem quando variamos o fluxo magnético em uma superfície.
Equações de Maxwell: conjunto de equações organizadas pelo físico e matemático James Clerk Maxwell (1831-1879) que retrata as leis do Eletromagnetismo.

Fórmulas do Eletromagnetismo

→ Carga elétrica

\(Q=n\cdot e\)

Q → carga elétrica total de um corpo, medida em Coulomb [C].
n → quantidade de elétrons ou de prótons em falta ou em excesso, medida em Coulomb [C].

e → carga elementar ou carga do elétron, cujo valor é \(\pm 1,6 \cdot 10^{-19} \, \text{C} \) (positivo para prótons e negativo para elétrons).

→ Força elétrica

\(F = k \cdot \frac{\lvert Q_1 \rvert \cdot \lvert Q_2 \rvert}{d^2} \)

F → força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em Newton [N].
|Q₁| e |Q₂| → módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb [C].
d → distância entre as cargas, medida em metros [m].
k → constante eletrostática do meio, medida em \([(\text{N} \cdot \text{m}^2) /{\text{C}} ^2] \).

→ Campo elétrico

\(E = k \cdot \frac{\lvert Q \rvert}{d^2} \)

E → campo elétrico, medido em Newton [N].
| Q | → módulo da carga da partícula geradora do campo, medido em Coulomb [C].
d → distância entre as cargas, medida em metros [m]
k → constante eletrostática do meio, medida em \([(\text{N} \cdot \text{m}^2) /{\text{C}} ^2] \).

→ Lei de Gauss

\(\Phi = \frac{q_{\text{env}}}{\epsilon_0} \)

Φ → fluxo total de um campo elétrico sobre uma superfície gaussiana, medido em [\({N\cdot {m} ^ {2}} / {C}\)].
\(q_{env}\) → carga elétrica envolvida pela superfície, medida em Coulomb [C].
\({ε_o}\) → constante de permissividade do vácuo que vale \(8,85418782 \cdot 10^{-12} \, {\text{C}^2}/{\text{N} \cdot \text{m}^2} \).

→ Potencial elétrico

\(V_{A} = \frac{W_{AB}}{q} \)

\({V_A}\) → potencial elétrico no ponto A, medido em Volts [V].
\({W}_{AB}\) → trabalho da força elétrica para deslocar uma carga do ponto A ao ponto B, medido em Joule [J].
q → carga elétrica, medida em Coulomb [C].

→ Diferença de potencial elétrico (ddp) ou tensão elétrica

\(U= {V_B} - {V_A}\)

U → diferença de potencial elétrico (ddp) ou tensão elétrica, medida em Volts [V].
\({V_A}\) → potencial elétrico no ponto A, medido em Volts [V].
\({V_B}\) → potencial elétrico no ponto B, medido em Volts [V].

→ Capacitância

\(C = \frac{Q}{V} \)

C → capacitância, medida em Faraday [F] ou em Coulomb por Volt [C/V].
Q → carga armazenada, medida em Âmperes [A].
V → potencial elétrico, medido em Volt [V].

→ Corrente elétrica

\(U = R \cdot i\)

U → tensão elétrica, medida em Volt [V].
R → resistência equivalente, medida em Ohm [Ω].
i → corrente elétrica, medida em Àmpere [A].

→ Potência elétrica

\(P = R \cdot i^2 = \frac{U^2}{R} = i \cdot \Delta U \)

P → potência elétrica, medida em Watt [W].
R → resistência elétrica, medida em Ohm [Ω].
i → corrente elétrica, medida em Ampére [A].
U → tensão elétrica, medida em Volt [V].
\(\Delta U \) → variação de tensão elétrica, também chamada de diferença de potencial elétrico (ddp), medida em Volt [V].

→ 1ª lei de Ohm

\(R = \frac{U}{i} \)

U → diferença de potencial elétrico (ddp), medida em Volts [V].
R → resistência elétrica, medida em Ohm [Ω].
i → corrente elétrica, medida em Ampére [A].

→ 2ª lei de Ohm

\(\rho = \frac{R \cdot A}{L} \)

ρ → resistividade do material, medida em Ohm-metro [Ω∙m].
R → resistência elétrica, medida em Ohm [Ω].
L → comprimento do condutor, medido em metros [m].
A → área de secção transversal do condutor, medida em [m²].

→ Campo magnético em uma espira circular

\(B = \frac{\mu_0 \cdot i}{2\cdot R} \)

B → campo magnético, medido em Tesla [T].
\({μ_o}\) → constante de permeabilidade magnética do vácuo, cujo valor é \(4 \pi \cdot {10} ^ {-7} T \cdot m / A\).
i → corrente elétrica, medida em Ampère [A].
R → raio da espira, medido em metros [m].

→ Campo magnético em uma bobina chata

\(B = N \cdot \frac{ \mu_0 \cdot i}{2 \cdot R} \)

B → campo magnético, medido em Tesla [T].
N → número de espiras da bobina.
\({μ_o}\) → constante de permeabilidade magnética do vácuo, cujo valor é \(4 \pi \cdot {10} ^ {-7} T \cdot m / A\).
i → corrente elétrica, medida em Ampère [A].
R → raio da bobina, medido em metros [m].

→ Campo magnético em um condutor reto

\(B = \frac{\mu_0 \cdot i}{2\cdot \pi \cdot d} \)

B → campo magnético, medido em Tesla [T].
\({μ_o}\) → constante de permeabilidade magnética do vácuo, cujo valor é \(4 \pi \cdot {10} ^ {-7} T \cdot m / A\).
i → corrente elétrica, medida em Ampère [A].
d → distância do fio, medids em metros [m].

→ Campo magnético no interior de um solenoide

\(B = N \cdot \frac{ \mu_0 \cdot i}{l} \)

B → campo magnético, medido em Tesla [T].
\({μ_o}\) → constante de permeabilidade magnética do vácuo, cujo valor é \(4 \pi \cdot {10} ^ {-7} T \cdot m / A\).
i → corrente elétrica, medida em Ampère [A].
N → número de espiras ou voltas no solenoide.
\(l\) → comprimento do solenoide, medido em metros [m].

→ Força magnética sobre partículas carregadas

\(F = \lvert q \rvert \cdot v \cdot B \cdot \sin(\theta) \)

F → força magnética, medida em Newton [N].
| q | → módulo da carga elétrica em excesso ou em falta, medido em Coulomb [C].
v → velocidade da partícula em relação ao campo magnético, medida em metros por segundo [m/s].
B → campo magnético, medido em Tesla [T].
θ → ângulo formado entre a velocidade e o campo magnético, medido em graus [°].

→ Força magnética sobre condutores retilíneos

\(F = B \cdot i \cdot l \cdot \sin\theta \)

F → força magnética, medida em Newton [N].
B → campo magnético, medido em Tesla [T].
i → corrente elétrica, medida em Ampère [A].
\(l\) → comprimento do fio, medido em metros [m].
θ → ângulo formado entre o comprimento do fio e o campo magnético, medido em graus [°].

→ Força magnética sobre dois condutores retilíneos

\(F = \mu_0 \cdot \frac{ i_1 \cdot i_2 \cdot l}{2\cdot \pi \cdot d} \)

F → força magnética, medida em Newton [N].
\({μ_o}\) → constante de permeabilidade magnética do vácuo, cujo valor é \(4 \pi \cdot 10^{-7} \, \text{T} \cdot \text{m/A} \).
\({i_1}\) → corrente elétrica do condutor 1, medida em Ampère [A].
\({i_2}\) → corrente elétrica do condutor 2, medida em Ampère [A].
\(l\) → comprimento do fio, medido em metros [m].
d → distância entre os dois condutores, medida em metros [m].

→ Fluxo magnético

\(ϕ = B \cdot A \cdot cos {θ}\)

ϕ → fluxo magnético, medido em Weber ou em Tesla-metro [T ∙ m].
B → campo magnético, medido em Tesla [T].
A → área da superfície, medida em \([ {m} ^ {2} ].\)
θ → ângulo entre a normal ao plano da espira e o vetor campo magnético, medido em graus [°].

→ Lei de Faraday-Neumann-Lenz

\(\epsilon = \frac{-\Delta \phi}{\Delta t} \)

\(\epsilon \) → força eletromotriz induzida, medida em Volt [V].
\(\Delta \phi \) → variação de fluxo magnético, medida em Weber [Wb] ou em Tesla-metro [T ∙ m].
\(\Delta t \) → variação de tempo, medida em segundos [s].

→ Equações de Maxwell

As equações de Maxwell (em equações integrais), no caso de não haver materiais dielétricos ou magnéticos, são as seguintes:

1) Lei de Gauss para a eletricidade

\(\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \frac{q_{\text{env}}}{\epsilon_0} \)

2) Lei de Gauss para o magnetismo

\(\oint \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0 \)

3) Lei de Faraday

\(\oint \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{-d\Phi_B}{dt} \)

4) Lei de Ampère-Maxwell

\(\oint \vec{B} \cdot d\vec{S} = \mu_0 \cdot \epsilon_0 \cdot \frac{d\Phi_E}{dt} + \mu_0 \cdot {i}_{\text{env}} \)

Qual a importância do Eletromagnetismo?

O Eletromagnetismo é uma área muito importante da Física em virtude do fato de que, com seus estudos, foi possível desenvolver praticamente toda a tecnologia atual, tais como aparelhos eletroeletrônicos e eletrodomésticos, carros elétricos, ímãs, baterias, pilhas, micro-ondas, entre diversas outras coisas.

Origem e história do Eletromagnetismo

A origem do Eletromagnetismo é mencionada em obras a partir do século VII e VI a.C., na Grécia Antiga, sendo um dos pioneiros na sua investigação o polímata Tales de Mileto (623 a.C. - 558 a.C.), que descreveu a atração ocorrida entre as pedras magnetitas e o ferro.

Até início do século XIX, os cientistas estudavam a Eletricidade distanciada do Magnetismo, contudo, tudo mudou quando, entre 1820 e 1829, o químico e físico Hans Oersted (1777-1851) percebeu que, quando uma corrente elétrica atravessava um fio condutor, ela alterava a direção da agulha magnética de uma bússola próxima a ele. A partir desse momento, os cientistas passaram a considerar a Eletricidade e Magnetismo como uma única área, o Eletromagnetismo.

No início do século XX, com os estudos da Física Moderna e da Física Quântica, os cientistas comprovaram que o campo magnético e o campo elétrico eram abordagens de um único campo, o campo eletromagnético.

Veja também: Eletricidade — mais detalhes sobre essa outra parte da Física

Exercícios resolvidos sobre o Eletromagnetismo

Questão 1

(Udesc) Com relação aos fenômenos eletromagnéticos, analise as proposições.

I. Corrente elétrica induzida, em um circuito fechado, por um campo magnético variável no tempo sempre gera um campo magnético que se opõe à mudança desse campo.

II. Correntes elétricas, em circuitos fechados, podem formar dipolos magnéticos, mas nunca monopolos magnéticos.

III. Ao dividir-se um ímã ao meio, formam-se dois monopolos magnéticos, um polo sul e outro polo norte.
IV. Força magnética atua em cargas elétricas em repouso e em movimento.

A) Somente as afirmativas II e III são verdadeiras.

B) Somente as afirmativas I, III e IV são verdadeiras.

C) Somente as afirmativas II e IV são verdadeiras.

D) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras

E) Somente as afirmativas I e IV são verdadeiras.

Resolução:

Alternativa D.

I. Corrente elétrica induzida, em um circuito fechado, por um campo magnético variável no tempo sempre gera um campo magnético que se opõe à mudança desse campo. (correta)

II. Correntes elétricas, em circuitos fechados, podem formar dipolos magnéticos, mas nunca monopolos magnéticos. (correta)

III. Ao dividir-se um ímã ao meio, formam-se dois monopolos magnéticos, um polo sul e outro polo norte. (incorreta)

Ao dividir-se um ímã ao meio, não se formam dois monopolos magnéticos.

IV. Força magnética atua em cargas elétricas em repouso e em movimento. (incorreta)

Força magnética atua em cargas elétricas em movimento.

Questão 2

(Uema) A Anomalia Magnética no Sul e no Sudeste do Brasil é uma espécie de defasagem na proteção magnética da Terra, localizada sobre o Atlântico Sul, na faixa que se estende até o Continente Africano. Para tentar entender o fenômeno, especialistas estudam o campo magnético do planeta, gerado no núcleo de ferro líquido, superaquecido a pelo menos três mil quilômetros de profundidade. Essa região tem um campo mais enfraquecido. Isso faz com que os satélites, quando passam por essa região, tenham de desligar momentaneamente alguns componentes para evitar a perda do satélite ou que algum equipamento seja danificado. Por isso, é de interesse das agências espaciais monitorar constantemente a evolução dessa anomalia, principalmente, nessa faixa central.

Anomalia Magnética no Sul e no Sudeste do Brasil em uma questão da Uema sobre Eletromagnetismo.

https://www.cnnbrasil.com.br/tecnologia/saiba-o-que-e-a-amas-anomalia-magnetica-do-atlantico-sul/ (adaptada).

Com base no texto, qual o papel do campo magnético da Terra?

A) As linhas de campo magnético da Terra são geradas do polo sul magnético e entram no polo norte magnético.

B) O campo magnético protege a atmosfera terrestre, minimizando a entrada de partículas com alta velocidade, vindas do sol.

C) O campo magnético da Terra transmite as interações entre cargas elétricas, podendo ser de aproximação ou de afastamento.

D) O campo magnético da Terra é sempre atrativo e nunca repulsivo, sendo responsável por ficarmos de pé.

E) O campo magnético da Terra é o responsável pela fusão nuclear que alimenta o Sol e produz a energia necessária para a maioria das formas de vida da Terra.

Resolução:

Alternativa B.

O campo magnético protege a atmosfera terrestre contra os ventos solares, minimizando a entrada de partículas com alta velocidade, vindas do Sol.

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Eletromagnetismo (vol. 3). 10. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2016.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Eletromagnetismo (vol. 3). Editora Blucher, 2015.

SAMPAIO, José Luiz; CALÇADA, Caio Sérgio. Universo da Física: Ondulatória. Eletromagnetismo, Física Moderna. São Paulo: Atual, 2005.

Eletromagnetismo

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Quais são as aplicações do Eletromagnetismo?

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