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 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
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
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)
|
|
Lei de Gauss
|
|
Lei de Faraday da indução
|
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A lei de Ohm
|
E por sua vez tabela demonstrando as principais formas das
equações Macroscópicas apresentadas:
NOME
|
FORMA
|
Lei de Ampére (corrigida por Maxwell)
|
|
Lei de Gauss
|
|
Lei de Gauss para o magnetismo
|
|
A lei de Faraday da indução
|
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.
Onde:
·
c = m/s
·
h = (33) x 10 Js = (10) x 10 eVs (Constante de Planck).
Características das principais radiações
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
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http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/quimica/radioatividade/caracteristicas-das-radiacoes.html acessado em: 16/05/2014
http://www.profcordella.com.br/unisanta/textos/fqa21_radiacoes_eletrom.htm acessado em: 16/05/2014
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