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Campo electromagnètic

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O campo electromagnètic é um campo produzido pela presença de objectos carregats elèctricament. Este campo estende-se indefinidament através do espaço e afecta o comportamento dos objectos.

O campo electromagnètic, a base da electromagnetisme, é uma das quatro forças fundamentais da natura (as outras são a bastante gravitatòria, a bastante nuclear forte e a bastante nuclear débil).

Este campo pode ser visto como a combinação de um campo eléctrico com um campo magnético. O campo eléctrico produzem-no os ónus estacionàries e o campo magnético os ónus em movimento. A maneira como os ónus e as correntes (os ónus em movimento) interactuen com o campo electromagnètic descreve-se com as equacions de Maxwell e a lei da bastante de Lorentz.

Desde o ponto de vista da electrodinàmica clássica o campo electromagnètic seria um campo contínuo e uniforme que se propaga como uma onda. Em mudança, desde o ponto de vista da mecânica quàntica o campo electromagnètic estaria composat por unidades discretas, os fotons.

Mesa de conteúdos

Estrutura do campo electromagnètic

O campo electromagnètic pode ser descrito de duas maneiras diferente:

Estrutura contínua

O electrodinàmica clássica considera que os campos eléctricos e magnéticos são produzidos por movimentos suaves de objectos carregats. Por exemplo, ónus em oscil·lació produzem campos magnéticos e eléctricos que podem ser considerados como se fossem ondas. Neste caso, considera-se que a energia é transferida de maneira contínua entre dois pontos através do campo electromagnètic. Por exemplo, a um transmissor de rádio os àtoms metálicos parecem transferir energia de maneira contínua. Este ponto de vista é adequat até um certo ponto, quando se trata de radiació de baixa frequência, mas a altas frequências apresenta problemas (vejais Catástrofe ultraviolada). Estes problemas traz a outro ponto de vista.

Estrutura discreta

Os experimentos mostram que a transferência da energia electromagnètica se pode descrever de maneira mais acurada se se considera que é transportada em 'pacotes' ou 'fragmentos' denominados fotons com uma frequência fixa. A relação de Planck ata a energia E de um fotó à sua frequência \nu por meio da seguinte equació:

E= \, h \, \nu

onde h é a constante de Planck, denominada assim em honra a Max Planck, e \nu é a frequência do fotó. Por exemplo, ao efeito fotoelèctric (a emissão de electrons por superfícies metal·liques devido à radiació electromagnètica) verifica-se que a increment da intensidade da radiació incidente não tem efeitos, e só a frequência da radiació é relevando para a emissão de electrons.

Esta visão quàntica do campo electromagnètic demonstrou-se muito fructífera dando lugar ao electrodinàmica quàntica, uma teoria quàntica de campos que descreve a interacção entre a radiació electromagnètica e a matéria carregada.

Dinâmica do campo electromagnètic

No passado, pensava-se que os objectos carregats elèctricament produziam dois tipo de campos relacionados com a sua propriedade de possuir um ónus eléctrico. Um campo eléctrico produzia-se quando o ónus era estacionària com respeito a um observador que medisse as propriedades do ónus; e produzia-se um campo magnético (também um campo eléctrico) quando o ónus se movia (criando uma corrente eléctrica) respeito do observador. Com o tempo viu-se que era melhor considerar os campos magnéticos e eléctricos como dois partes de um todo, o campo electromagnètic.

Um golpe criou-se um campo electromagnètic por parte de uma distribuição de ónus dado, os outros objectos que possa ter dentro do campo experimentarão uma bastante, de maneira similar a como um planeta experimenta uma bastante dentro do campo gravitacional do Sozinho. Se estes outros ónus e correntes (os outros objectos) são comparables em dimensões às fontes que produzem o mencionat campo electromagnètic, então produzir-se-á um novo campo electromagnètic. A partir disto o campo electromagnètic pode ser visto como uma entidade dinâmica que provoca o movimento de outros ónus e correntes, e que também é afectado por eles. Estas interacções descrevem-se com os equacions de Maxwell e a lei da bastante de Lorentz.

Descrição matemática

Há diferentes maners de representar o campo electromagnètic. A primeira considera os campos eléctrico e magnético como um campo vectorial tridimensional. Cadascú destes campos vectorials tem um valor definido para a cada ponto do espaço e para a cada instando temporário, e por isto são considerados habitualmente como funções de coordenadas espaço-tempo. Por isto habitualmente se escrevem como \mathbf{E}(x, y, z, t) (campo eléctrico) e \mathbf{B}(x, y, z, t) (campo magnético). Se só o campo eléctrico (\mathbf{E}) não é nul, e é constante no tempo, o campo se considera como electrostàtic. De maneira similar, se só o campo magnético (\mathbf B) não é nul e é constante ao longo do tempo, falaremos de campo magnetostàtic. Tanmateix se qualquer dos dois campos apresenta uma dependência do tempo, todos dois têm de ser considerados conjuntamente como um campo electromagnètic utilizando as equacions de Maxwell.

Com o aparecimento da relativitat especial começaram-se a generalizar a utilização do formalisme do tensor. As equacions de Maxwell podem ser escritas em forma tensorial, que é vista pelos físicos como a maneira mais elegante de exprimir as leis da ísica.

O comportamento dos campos eléctricos e magnéticos, electrostàtics, magnetostàtics ou electrodinàmics comportam-se ao vazio segundo as equacions de Maxwell. Em forma vectorial podem-se exprimir como:

\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0} (Lei de Gauss - electrostàtica)
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0 (Lei de Gauss - magnetostàtica)
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac {\partial \mathbf{B}}{\partial t} (Lei de Faraday)
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0\varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} (Lei de Ampère)

onde \rho é a densidade de ónus, que pode depender do tempo e a posição, \epsilon_0 é a permitivitat ao vazio, \mu_0 é a permeabilitat ao vazio, e \mathbf J é o vector densidade de corrente, que também depen do tempo e a posição. As unidades utilizadas são as do SI. Dentro de um material linear as equacions de Maxwell mudam por tal de utilizar a permeabilitat e a permitivitat do material em vez da do vazio. No caso de outros materiais que oferecem respondidas bem mais complexas aos campos electromagnètics estes dois termos se representam habitualmente com números complexos ou tensors.

No caso da matéria carregada, as interacções dos campos electromagnètics são descritas com a lei da bastante de Lorentz.

Propriedades do campo

Comportamento recíproc dos campos eléctrico e magnético

Duas das equacions de Maxwell, a lei de Faraday e a lei de Ampère, ilustram uma das características mais práticas do campo electromagnètic. A lei de Faraday poder-se-ia exprimir dizendo que um campo magnético mudando cria um campo eléctrico. E este é o princípio que há última do funcionamento do generador eléctrico. De outra banda, a lei de Ampère estabelece que um campo eléctrico variable cria um campo magnético. Por isto esta lei pode se aplicar para gerar um campo magnético e fazer funcionar um motor eléctrico.

A luz como uma pertorbació electromagnètica

As equacions de Maxwell tomam a seguinte forma no caso de uma zona que é longe de qualquer ónus ou correndo (ao vazio), é adir, lá onde \rho and \mathbf J são nuls.

\nabla \cdot \mathbf{E} = 0
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac {\partial \mathbf{B}}{\partial t}
\nabla \times \mathbf{B} = \frac{1}{c^2} \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}

Às equacions anteriores fez-se a substituição \mu_0 \epsilon_0 = \frac{1}{c^2}, onde c é a velocidade da luz. Tomando o rotacional das duas últimas equacions é como segue:

\nabla \times \nabla \times \mathbf{E} = \nabla \left ( \nabla \cdot \mathbf E \right ) - \nabla^2 \mathbf E = \nabla \times \left ( -\frac {\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right )
\nabla \times \nabla \times \mathbf{B} = \nabla \left ( \nabla \cdot \mathbf B \right ) - \nabla^2 \mathbf B = \nabla \times \left ( \frac{1}{c^2} \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \right )

Tanmateix, as duas primeiras equacions indicam que \nabla \left ( \nabla \cdot \mathbf E \right ) = \nabla \left ( \nabla \cdot \mathbf B \right ) = 0. Portanto inserint isto e convertendo os rotacionals em derivadas de tempos e inserint-o aos rotacionals resultantes, temos o seguinte:

- \nabla^2 \mathbf E = -\frac{\partial}{\partial t} \left (\nabla \times \mathbf{B} \right ) = -\frac{\partial}{\partial t} \left ( \frac{1}{c^2} \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \right ) = - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \mathbf E}{\partial t^2}
- \nabla^2 \mathbf B = \frac{1}{c^2} \frac{\partial}{\partial t} \left ( \nabla \times \mathbf{E} \right ) = \frac{1}{c^2} \frac{\partial}{\partial t} \left ( -\frac {\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right ) = - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \mathbf B}{\partial t^2}

Ou:

\nabla^2 \mathbf E = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \mathbf E}{\partial t^2}
\nabla^2 \mathbf B = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \mathbf B}{\partial t^2}

Ou também:

\Box^2 \mathbf E = 0
\Box^2 \mathbf B = 0

A esta última forma, \Box^2 é o operador de de Alembert que é \nabla^2 - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2}, portanto as duas últimas formas são o mesmo escrito de duas maneiras diferentes. Ambas se conhecem como equacions de onda, isto é, os campos eléctricos e magnéticos têm uma forma oscil·latòria, como um sinusoide, o que implica um comportamento similar ao das ondas. De outra banda, as duas primeiras equacions de Maxwell implicam que se trata de ondas transversals. As duas últimas equacions de Maxwell implicam que a onda do campo eléctrico é em fase e é perpendicular com respeito à onda do campo magnético. Também temos que o termo c^2 representa a velocidade da onda. Portanto, as ondas electromagnètiques viajam à velocidade da luz. James Clerk Maxwell sugeriu que como dos seus cálculos se derivava que as ondas electromagnètiques viajavam à mesma velocidade da luz, a luz devia ser também uma onda. Esta sugestão demonstrou-se acertado, a luz é uma onda electromagnètica.

Comparação e relação com de outros campos físicos

Sendo uma das quatro forças fundamentais da natura é útil comparar o campo electromagnètic com as outras três: o campo gravitatori, a bastante nuclear forte e a bastante nuclear débil.

O campo gravitatori e o campo electromagnètic

Enquanto as fontes dos campos electromagnètic são os ónus positivos ou negativas, a origem do campo gravitatori são as massas. Às vezes as massas são denominadas ónus gravitacionals, mas uma diferença fundamental é que a gravidade é sempre positiva, sempre tem um efeito atraente, não há demasiado negativa.

Magnitude relativa das quatro forças fundamentais

A mesa seguinte mostra a bastante relativa das diferentes forças ou interacções e outras informações:

Teoria Interacção mediador Magnitude Relativa Comportamento Rang
Cromodinàmica quàntica Bastante nuclear forte Gluó 1038 1 10-15 m
Electrodinàmica Electromagnetisme Fotó 1036 1/r2 infinito
Teoria Weinberg-Salam Bastante nuclear débil Bosó W e Z 1025 1/r5 tom 1/r7 10-16 m
Geometrodinàmica Gravitació Gravitó 100 1/r2 infinito

Campos electromagnètics e saúde

No ano 2002, a Agência Internacional de Investigação sobre o Cancro (IARC) publicou a avaliação dos campos electromagnètics de baixa frequência (ELF, intervalo de 3-­3.000 Hz) como possíveis cancerigens. As suas conclusões foram (Quer. 80; 2002):

- Os campos magnéticos de frequência extremamente baixa são possíveis cancerigens em humanos (Grupo 2B).
- Os campos eléctricos de frequência extremamente baixa não se podem considerar cancerigens em humanos (Grupo 3)
- Os campos magnéticos e eléctricos estàtics também não se podem considerar cancerigens em humanos (Grupo 3)

Vejais também


Enllaços externos

IARC Quer 80

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