terça-feira, 20 de maio de 2014

Magnetismo, eletricidade e ondas eletromagneticas

Este é um trabalho de minha autoria em parceria com meu amigo Samuel Valdomiro, para a disciplina de Física Geral e Experimental 2, espero que os conteúdos abaixo ajudem aos interessados. Se quiser fazer uma crítica ou elogio sinta-se livre para usar o campo dos comentários.

Introdução
O objetivo desse trabalho é abordar conceitos sobre eletricidade, magnetismo e ondas eletromagnéticas em diferentes conceitos físicos. Compreender melhor como a eletricidade e o magnetismo se relacionam, e quais tecnologias podemos ver esses fenômenos.

Magnetismo e eletricidade
O magnetismo pode ser definido como a capacidade de atração ou repulsão de um objeto sobre outro, podemos observar com maior intensidade esse fenômeno nos chamados ímãs ou materiais ferromagnéticos. Muitas pessoas trabalharam para entender o conceito de magnetismo.
A eletricidade é definida basicamente como o fluxo de cargas elétricas, ou seja, quando cargas elétricas se conduzem a uma direção de forma organizada.


Bússolas
A bússola teve suas primeiras evidencias na China por volta do século IV A.C, ela é um instrumento de navegação e orientação de origem magnética que utiliza - se de materiais ferromagnéticos. A bússola é composta de uma agulha magnetizada colocada sobre um plano horizontal pendurada pelo seu centro de gravidade, fazendo com que o campo magnético da terra interfira no sentido que a agulha se apresentara. Esse fato contribui para um conhecimento dos pontos cardeais facilitando a orientação.

Ímãs
A propriedade principal a se estudar imãs são os Polos magnéticos, regiões onde as ações magnéticas se intensificam nos imãs, geralmente batizados de norte e sul. Estas regiões geralmente estão localizadas nas extremidades dos imãs havendo exceção para imãs em formato de disco.
A determinação da nomenclatura dos polos magnéticos dos imãs é efetuada da seguinte maneira: Deve-se suspender o imã pelo centro de massa e este se deve posicionar apontando seu polo norte e sul para os respectivos polos geográficos, determinando-se assim seus polos magnéticos.
Outro dado importante a se considerar sobre imãs é a inseparabilidade de polos magnéticos, que diz que é impossível dividir os polos magnéticos de um imã, pois quando este é dividido as partes formam dois novos polos.
A atração entre imãs funciona de acordo com uma premissa simples: Lados de mesma polaridade (norte e sul) se repelem, e lados e polaridades opostas se atraem.
Podemos calcular a força de interação de um imã pela seguinte formula: A força de interação F é estabelecida a uma distância d, ao dobrarmos esta distância a força observada será igual a uma quarta parte da anterior F/4.

Campo Magnético Terrestre
O campo magnético, ou geomagnético da Terra é um campo magnético que a envolve. Esse campo tem milhares de quilômetros de distancia. A teoria mais aceita sobre campo magnético em astros é a teoria do Dínamo, que sustenta a rotação, eletrização por atrito e propriedades químicas como materiais ferromagnéticos. No planeta terra o campo magnético tem origem de uma enorme quantidade de metais pesados extremamente aquecidos e comprimidos em um lugar conhecido como núcleo externo. Todo esse material encontrasse em forma liquida girando intensamente, com isso gerasse um campo magnético.



Propriedades magnéticas da matéria
Um conceito básico como cargas positivas atraem cargas negativas e vice e versa, podem definir muito bem as propriedades magnéticas da matéria. O conceito do dipolo magnético está ligado diretamente a como os elétrons se comportam em diversos materiais.
Existem basicamente três tipos de matérias no quesito de influencia magnéticos que são os fortemente influenciados, materiais chamados de ferromagnéticos, os moderadamente influenciados, chamados materiais paramagnéticos como alumínio, vidro entre outros. E os fracamente influenciados chamados diamagnéticos, exemplos como agua, prata entre outros.

O eletroímã
O eletroímã é um imã feito de corrente elétrica que pode gerar um campo magnético de forma muito semelhante aos imãs naturais. Geralmente é construído através de um fio elétrico espiralado a algum material ferromagnético. Uma de suas vantagens é que ele só produz campo magnético enquanto houver corrente elétrica, ou seja, ele pode ser desligado e ligado.

Força e campo magnético
Podemos definir campo magnético como sendo a região próxima a um imã ou materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, tais campos possuem características equivalentes com os gravitacionais e elétricos.
Durante o estudo dos campos magnéticos é possível se definir um vetor que descreva esse campo, cujo é chamado de vetor de indução magnética. Quando uma bússola é colocada sob um ponto de ação deste vetor, esta terá direção da reta em que a agulha se alinha e sentido para onde aponta o polo norte magnético da agulha.

Teoria eletromagnética de Maxwell
As equações de Maxwell, batizadas com este nome em homenagem ao físico e matemático escocês James Clark Maxwell, publicadas incialmente em um artigo divido em quatro publicações, intitulado On Physical Lines of Force, publicada nos anos de 1861 e.
James Clark Maxwell desenvolveu uma teoria unificada do eletromagnetismo em 1873. As equações de Maxwell constituem um grupo de equações diferencias que juntamente com a lei da força de Lorentz formam a base do eletromagnetismo clássico, que por sua vez é à base da óptica clássica. As seguintes equações tem impacto significante no desenvolvimento tecnológico iniciado no final do século XIX.
As equações de Maxwell são descritas conceitualmente como; Cargas elétricas e correntes elétricas agem como fontes dos campos elétricos e magnéticos. Além desta definição as equações de Maxwell descrevem como um campo elétrico que varia no tempo gera outro campo magnético que também varia no tempo.
As equações de Maxweel podem ser divididas em dois grandes grupos:
Equações microscópicas: Está trata diretamente dos conceitos de carga total e corrente total, tratando de cargas em nível atômico.
Equações macroscópicas: Esta por sua vez que define campos auxiliares que podem tratar de forma mais simplificada evitando cálculos de nível atômico.
No ano de 1865 a equação de Maxwell já contava com algo em torno de vinte variáveis, cujas estas incluíam outras equações consideradas auxiliares as equações de Maxwell sendo elas:

A lei de Ampére
 Alei de Ampère, batizada em homenagem ao físico francês André-Marie Ampère, esta lei por sua vez afirma que campos magnéticos podem ser gerados a partir de correntes elétricas e posteriormente corrida por Maxweell acrescentando a geração de campos magnéticos por campos elétricos que variam no tempo.

A lei de Gauss
 A lei de Gauss batizada em homenagem ao físico alemão Carl Friedrich Gauss, descreve a relação entre um campo elétrico e as cargas elétricas geradoras do campo, sendo assim relaciona o fluxo elétrico através de qualquer superfície gaussiana fechada para cargas elétricas na superfície.

A lei de Faraday
Batizada em homenagem ao físico Michael Faraday, esta lei descreve como um campo magnético que varia no tempo cria ou induz um campo elétrico. Esta lei é fundamental na física atual, pois é um principio operante por trás de diversos geradores elétricos.

A lei de Ohm
Batizada em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm, esta lei afirma que para um condutor mantido á temperatura constante, a razão entre a tensão entre os dois pontos e a corrente elétrica é constante. Tal constante por sua vez foi denominada como resistência.

Abaixo uma tabela demonstrando as principais formas das equações Microscópicas apresentadas:
NOME
FORMA
Lei de Ampére (corrigida por Maxwell)
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0\mathbf{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}\
Lei de Gauss
\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac {\rho} {\varepsilon_0}
Lei de Faraday da indução
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
A lei de Ohm
 R = \frac {V} {I}

E por sua vez tabela demonstrando as principais formas das equações Macroscópicas apresentadas:
NOME
FORMA
Lei de Ampére (corrigida por Maxwell)
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0\mathbf{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}\
Lei de Gauss
\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac {\rho} {\varepsilon_0}
Lei de Gauss para o magnetismo
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0
A lei de Faraday da indução
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}


Geração das ondas eletromagnéticas
Podemos definir ondas eletromagnéticas como sendo a combinação de um campo elétrico com um campo magnético que se propagam através do tempo, transportando energia.
Tais ondas são geradas inicialmente, portanto pelo movimento de cargas elétricas, sendo que durante esta movimentação tais cargas geram perturbações nas propriedades do espaço onde uma carga elétrica vibrante irá produzir uma perturbação constante no espaço. Durante tal perturbação a carga irá gerar campos elétricos e magnéticos oscilantes com a mesma frequência da carga vibrante.
Portanto em geral sempre que houver cargas elétricas vibrantes, ou aceleradas, haverá a produção de ondas eletromagnéticas.
Com base nas definições acima podemos concluir que uma maneira simples de produzir ondas eletromagnéticas é fazer com que os elétrons de um fio condutor oscilem. Um experimento simples pode ser realizado de uma antena conectada a um gerador elétrico, o resultado será algo similar à imagem abaixo.

.

Espectro eletromagnético
O espectro eletromagnético se define como o intervalo completo de todas as possíveis frequências da radiação eletromagnética. A extensão deste vai desde as frequências mais baixas até a radiação gama
O espectro eletromagnético foi inicialmente estudado em 1800 por Willian Herschel durante um experimento que levou a descoberta da luz infravermelha. Este experimento se constituía em decompor a luz solar com uma auxilio de um prisma, e medir a temperatura de cada faixa de cor, o que levou a conclusão do aumento de temperatura que ocorria desde a faixa violeta até a vermelha.
Mais tarde em 1845 Michael Faraday relacionou a radiação eletromagnética com o eletromagnetismo, este percebeu que quando a luz polarizada viajando por um material transparente respondia a um campo magnético.
E posteriormente na década de 1860 James Maxwell desenvolveu quatro equações diferenciais para o campo eletromagnético, onde após analise descobriu-se que ondas eletromagnéticas deviam viajar a velocidade semelhante a da luz, levantando assim a possibilidade de que a própria luz era uma onda eletromagnética.
 E por fim em 1886 o físico Heinrich Hertz construiu um aparelho para gerar e detectar o que chamamos de ondas de rádio. Este conseguiu inferir que ondas de baixa frequência também viajavam a velocidade da luz e que estas podiam também ser refletidas e refratadas.
Na imagem abaixo é apresentado às frequências do espectro eletromagnético:

Podemos descrever as propriedades físicas das ondas magnéticas como: frequência (ƒ), comprimento de onda (λ), ou por energia de fóton (E), onde o comprimento de onda é inversamente proporcional à frequência de onda, que representa o numero de períodos existentes na unidade de tempo, estas propriedades podem ser ilustradas pelas seguintes equações.

f = \frac{c}{\lambda}, \quad\text{or}\quad f = \frac{E}{h}, \quad\text{or}\quad E=\frac{hc}{\lambda},

Onde:
·         c = m/s
·         h = (33) x 10 Js = (10) x 10 eVs (Constante de Planck).


Características das principais radiações

Ondas de Rádio
Ondas de rádio é a denominação dada a ondas desde as frequências muito pequenas, desde 107 Hz até as acima das quais estão os raios infravermelhos. Embora esta definição as ondas de rádio de rádio propriamente ditas estão na faixa de 104 Hz ate 107Hz.
Estás ondes tem como características de contornar obstáculos, tais como arvores ou edifícios o que torna relativamente fácil sua captação por aparelhos radio-receptora.

Ondas de TV
As ondas de TV estão na faixa de 5x107Hz(50 MHz), e podemos classifica-las nos tipos:
·         VHF: Very high frequency;
·         UHF: Ultra high frequency;
·         SHF: Super High frequency;
·         EHF: Extremely high frequency
·         VHFI: Very high frequency indeed.

Tais ondas não são refletidas pela ionosfera, sendo assim para serem captadas a distancias superiores a 75 km é necessário o uso de estações repetidoras.

Luz visível
Estas estão na faixa de 4,3x1014 Hz a 7x1014 Hz, nosso olho percebe a frequência 4,3x1014 como a cor vermelha, portanto frequências abaixo desta não são visíveis e são denominados raios- infravermelhos.
Sendo assim, a frequência mais alta (7x1014 Hz) visível é vista como a cor violeta e quaisquer frequências acima desta também não são visíveis sendo denominadas como raios ultravioletas.

Raios Infravermelhos
Possuindo um comprimento de onda de 0,76µm a um milímetro tem a capacidade de penetrar na pele e espalhar sua energia para todo organismo, o que é amplamente difundido na medicina como uma forma de acelerar reações bioquímicas.

Raios Ultravioletas
Estes possuem comprimento de onda de 0,76µm a 3µm sendo chamados de raios reflexivos ou de decomposição, pois não são absorvidos por corpos materiais do planeta Terra. Em grande concentração são capazes de desintegrar células o que é difundido atualmente na medicina como benefícios a aplicações antissépticas. Embora, sua concentração excessiva seja danosa ao ser humano.

Raios X
Os raios X foram descobertos, em 1895, pelo físico alemão Wilhelm Röntgen. Os raios X têm frequência alta e possuem muita energia. São capazes de atravessar muitas substâncias embora sejam detidos por outras, principalmente pelo chumbo.
Os raios x têm como característica a capacidade de causar uma impressão a uma chapa fotográfica e por isso é muito usado na medicina em radiografias.
Além disso, alguns tratamentos de doenças ou mesmo aplicações cientificas em diversos setores como química ou mineralogia utilizam-se desta radiação.

Partículas Alfa
Tais partículas possuem um alcance no ar muito pequeno, menor que 10 cm sendo constituídas de 2 prótons e 2 nêutrons, sendo extremamente ionizantes. Devido a sua incapacidade de atravessar tecidos, como por exemplo, a pele humana, estas praticamente não oferecem risco ao ser humano, porém se estas partículas estiverem internamente no corpo humano oriundas de absorção ou ingestão de material radioativo, elas podem causar um grande estrago à saúde, devido a sua intensa ionização nas células.

Partículas beta
Estas são constituídas por elétrons mais leves e velozes que as partículas alfa, podendo atravessar mesmo 1 mm de alumínio. Tais partículas possuem um poder de ionização muito alto sendo de risco moderado a saúde por meios externos ou internos.

Raios Gama
Os raios gama são ondas eletromagnéticas de comprimento de onda muito pequeno, e por isso possuem uma enorme capacidade de penetração, somente placas de chumbo com três cm de espessura são barreiras para os raios gama. Os raios gama originados de uma fonte externa ao organismo apresentam sérios riscos aos seres humanos, no entanto quando são de origem interna o risco é menor, pois toda energia das radiações alfa e beta são absorvidas pelo organismo, na medida em que apenas uma porção da radiação gama é absorvida. A capacidade de alcance no ar do raio gama também é muito grande.

Conclusão
Os fenômenos de eletricidade, magnetismo e ondas magnéticas foram uma revolução cientifica imensa, todos esses fatos contribuíram para a ciência como é hoje e o desenvolvimento de novos conceitos científicos. Dificilmente vemos o mundo de hoje sem esses conceitos tão estudados por diversas pessoas importantes para a física moderna. O fato é que a eletricidade e o magnetismo estão presentes integralmente em nosso cotidiano provando o tamanho de sua importância cientifica e tecnológica.



Referencias
http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dm%C3%A3 (iman)  acessado em: 12/05/2014

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