Tópicos da História da Física Clássica
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- Sérgio Peralta Carrilho
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1 Tópicos da História da Física Clássica Eletromagnetismo Victor O. Rivelles Instituto de Física da Universidade de São Paulo Edifício Principal, Ala Central, sala
2 Eletricidade e Magnetismo Eram conhecidos desde a antiguidade.
3 Eletricidade e Magnetismo Eram conhecidos desde a antiguidade. Tales de Mileto faz a primeira menção ao magnetismo cerca de 600 AC. Na China a mais antiga referência data do século 4 AC.
4 Eletricidade e Magnetismo Eram conhecidos desde a antiguidade. Tales de Mileto faz a primeira menção ao magnetismo cerca de 600 AC. Na China a mais antiga referência data do século 4 AC. A bateria de Bagdá foi construída em cerca de 250 AC.
5 Eletricidade e Magnetismo Eram conhecidos desde a antiguidade. Tales de Mileto faz a primeira menção ao magnetismo cerca de 600 AC. Na China a mais antiga referência data do século 4 AC. A bateria de Bagdá foi construída em cerca de 250 AC. A bússola foi inventado pelos chineses entre o século II AC e o século I DC. Foi usado para navegação à partir do século XI e introduzido na Europa no século XII. A bússola seca foi inventado em 1300.
6 William Gilbert Estudou a eletricidade estática e o magnetismo: 1600 De Magnete
7 William Gilbert Estudou a eletricidade estática e o magnetismo: 1600 De Magnete Usava um pedaço de ambar (em grego: elektron) para estudar a eletricidade estática.
8 William Gilbert Estudou a eletricidade estática e o magnetismo: 1600 De Magnete Usava um pedaço de ambar (em grego: elektron) para estudar a eletricidade estática. Chama a força resultante de força elétrica. Concluiu que a Terra é um imenso imã e por isso a agulha de uma bússola aponta para o Norte. Ela não é atraída pela estrela polar!
9 William Gilbert Estudou a eletricidade estática e o magnetismo: 1600 De Magnete Usava um pedaço de ambar (em grego: elektron) para estudar a eletricidade estática. Chama a força resultante de força elétrica. Concluiu que a Terra é um imenso imã e por isso a agulha de uma bússola aponta para o Norte. Ela não é atraída pela estrela polar! O campo magnético da Terra:
10 William Gilbert Estudou a eletricidade estática e o magnetismo: 1600 De Magnete Usava um pedaço de ambar (em grego: elektron) para estudar a eletricidade estática. Chama a força resultante de força elétrica. Concluiu que a Terra é um imenso imã e por isso a agulha de uma bússola aponta para o Norte. Ela não é atraída pela estrela polar! O campo magnético da Terra: Teve uma enorme influência sobre Kepler e Newton!
11 Benjamin Franklin Dois tipos de eletricidade eram conhecidas: Eletricidade vítrea Eletricidade resinosa
12 Benjamin Franklin Dois tipos de eletricidade eram conhecidas: Eletricidade vítrea Eletricidade resinosa Ao redor de 1750 Franklin propõem que a eletricidade é um fluído invisível. Matéria com pouco fluído elétrico: carregado NEGATIVAMENTE com excesso: carregado POSITIVAMENTE Positivo: eletricidade vítrea; Negativo: eletricidade resinosa.
13 Benjamin Franklin Dois tipos de eletricidade eram conhecidas: Eletricidade vítrea Eletricidade resinosa Ao redor de 1750 Franklin propõem que a eletricidade é um fluído invisível. Matéria com pouco fluído elétrico: carregado NEGATIVAMENTE com excesso: carregado POSITIVAMENTE Positivo: eletricidade vítrea; Negativo: eletricidade resinosa. Em 1750 propõem que há eletricidade em raios numa tempestade.
14 Benjamin Franklin Dois tipos de eletricidade eram conhecidas: Eletricidade vítrea Eletricidade resinosa Ao redor de 1750 Franklin propõem que a eletricidade é um fluído invisível. Matéria com pouco fluído elétrico: carregado NEGATIVAMENTE com excesso: carregado POSITIVAMENTE Positivo: eletricidade vítrea; Negativo: eletricidade resinosa. Em 1750 propõem que há eletricidade em raios numa tempestade. Invenção do para-raios.
15 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão.
16 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA.
17 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA. Cargas opostas atraem-se.
18 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA. Cargas opostas atraem-se. Dois pedaços de vidro carregados da forma acima, repelem-se entre si: cargas positivas repelem-se.
19 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA. Cargas opostas atraem-se. Dois pedaços de vidro carregados da forma acima, repelem-se entre si: cargas positivas repelem-se. Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de âmbar, o âmbar atrai um pedaço de vidro carregado, portanto tem carga negativa.
20 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA. Cargas opostas atraem-se. Dois pedaços de vidro carregados da forma acima, repelem-se entre si: cargas positivas repelem-se. Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de âmbar, o âmbar atrai um pedaço de vidro carregado, portanto tem carga negativa. Dois pedaços de âmbar carregados da forma acima repelem-se: portanto, cargas negativas repelem-se.
21 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA. Cargas opostas atraem-se. Dois pedaços de vidro carregados da forma acima, repelem-se entre si: cargas positivas repelem-se. Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de âmbar, o âmbar atrai um pedaço de vidro carregado, portanto tem carga negativa. Dois pedaços de âmbar carregados da forma acima repelem-se: portanto, cargas negativas repelem-se. No processo de fricção a seda e o vidro estão inicialmente descarregados. Após a fricção ficam carregados.
22 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA. Cargas opostas atraem-se. Dois pedaços de vidro carregados da forma acima, repelem-se entre si: cargas positivas repelem-se. Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de âmbar, o âmbar atrai um pedaço de vidro carregado, portanto tem carga negativa. Dois pedaços de âmbar carregados da forma acima repelem-se: portanto, cargas negativas repelem-se. No processo de fricção a seda e o vidro estão inicialmente descarregados. Após a fricção ficam carregados. Se o lenço é agora enrolado no vidro não há mais força elétrica. Não há carga elétrica no final.
23 Benjamin Franklin Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de vidro ambos ficarão eletricamente carregados e se atrairão. Convenção: cargas nos vidro: POSITIVA; cargas na seda: NEGATIVA. Cargas opostas atraem-se. Dois pedaços de vidro carregados da forma acima, repelem-se entre si: cargas positivas repelem-se. Ao esfregar um lenço de seda num pedaço de âmbar, o âmbar atrai um pedaço de vidro carregado, portanto tem carga negativa. Dois pedaços de âmbar carregados da forma acima repelem-se: portanto, cargas negativas repelem-se. No processo de fricção a seda e o vidro estão inicialmente descarregados. Após a fricção ficam carregados. Se o lenço é agora enrolado no vidro não há mais força elétrica. Não há carga elétrica no final. As cargas foram criadas pelas fricção: Lei da conservação da carga elétrica.
24 Lei de Coulomb Início do estudo quantitativo da eletricidade e magnetismo.
25 Lei de Coulomb Início do estudo quantitativo da eletricidade e magnetismo. Em 1767 Joseph Priestley propõem que a força elétrica cai com o inverso do quadrado da distância.
26 Lei de Coulomb Início do estudo quantitativo da eletricidade e magnetismo. Em 1767 Joseph Priestley propõem que a força elétrica cai com o inverso do quadrado da distância. Em 1785 Charles Augustin de Coulomb determina a força entre cargas elétricas: Lei de Coulomb. A força produzida por duas cargas é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. F = 1 q 1 q 2 4πɛ 0 r 3 r
27 Galvani e Volta Luigi Galvani
28 Galvani e Volta Luigi Galvani Em 1771 descobriu que um bisturi eletricamente carregado faz a perna de uma rã mover-se. Eletricidade animal, hoje: bioeletricidade.
29 Galvani e Volta Luigi Galvani Em 1771 descobriu que um bisturi eletricamente carregado faz a perna de uma rã mover-se. Eletricidade animal, hoje: bioeletricidade. Alessandro Volta Só há um tipo de eletricidade. Em 1800 inventa a pilha voltaíca: zinco e cobre, e cartão de papel embebido em salmoura. Produção de corrente elétrica estacionária. Permite a eletrólise de várias substâncias e contribui para a formulação da teoria atômica.
30 Ørsted Hans Christian Ørsted Em 1820 descobriu que quando ligava e desligava uma bateria a agulha de uma bússola próxima movia-se. 0bQtqaE
31 Ørsted Hans Christian Ørsted Em 1820 descobriu que quando ligava e desligava uma bateria a agulha de uma bússola próxima movia-se. 0bQtqaE Um campo magnético é irradiado por um fio que transporta uma corrente elétrica: relação entre eletricidade e magnetismo!
32 Ørsted Hans Christian Ørsted Em 1820 descobriu que quando ligava e desligava uma bateria a agulha de uma bússola próxima movia-se. 0bQtqaE Um campo magnético é irradiado por um fio que transporta uma corrente elétrica: relação entre eletricidade e magnetismo! Pela primeira vez encontrou-se uma força que não age ao longo da linha que conecta à fonte da força!
33 Lei de Biot-Savart Em 1820 Jean-Baptist Biot e Félix Savart descobriram qual o campo magnético produzido por uma corrente estacionária. B = µ 0 id l r 4π r 3
34 Ampére André-Maria Ampére Em 1820 generalizou a lei de Biot-Savart e obteve a Lei de Ampére: B = µ 0 J (que depois foi corrigida por Maxwell!)
35 Ampére André-Maria Ampére Em 1820 generalizou a lei de Biot-Savart e obteve a Lei de Ampére: B = µ 0 J (que depois foi corrigida por Maxwell!) Descobriu que correntes paralelas se atraem e correntes opostas se repelem: F = µ 0 i 1 d l 1 (i 2 d l 2 r 21) 4π L 1 L 2 r 2
36 Michael Faraday Não era formado na universidade. Era assistente de laboratório de Humphry Davy.
37 Michael Faraday Não era formado na universidade. Era assistente de laboratório de Humphry Davy. Em 1821 a revista britânica Annals of Philosophy pediu a Faraday para fazer um trabalho de revisão histórica do eletromagnetismo. Faraday percebeu que não bastava reportar os achados dos outros físicos; ele tinha que reproduzi-los também.
38 Michael Faraday Não era formado na universidade. Era assistente de laboratório de Humphry Davy. Em 1821 a revista britânica Annals of Philosophy pediu a Faraday para fazer um trabalho de revisão histórica do eletromagnetismo. Faraday percebeu que não bastava reportar os achados dos outros físicos; ele tinha que reproduzi-los também. Faraday repetiu a experiência de Oersted e determinou a natureza rotacional do campo magnético e introduziu o conceito de linhas de força:
39 Michael Faraday Não era formado na universidade. Era assistente de laboratório de Humphry Davy. Em 1821 a revista britânica Annals of Philosophy pediu a Faraday para fazer um trabalho de revisão histórica do eletromagnetismo. Faraday percebeu que não bastava reportar os achados dos outros físicos; ele tinha que reproduzi-los também. Faraday repetiu a experiência de Oersted e determinou a natureza rotacional do campo magnético e introduziu o conceito de linhas de força: A coleção de linhas de força foi chamada de campo magnético.
40 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar.
41 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar
42 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico
43 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico
44 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico
45 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico
46 Michael Faraday Indução eletromagnética Durante muitos anos tentou descobrir um método para produzir corrente elétrica à partir do magnetismo.
47 Michael Faraday Indução eletromagnética Durante muitos anos tentou descobrir um método para produzir corrente elétrica à partir do magnetismo. Em 1831 descobriu indução elétrica (descoberta independentemente por Joseph Henry):
48 Michael Faraday Indução eletromagnética Durante muitos anos tentou descobrir um método para produzir corrente elétrica à partir do magnetismo. Em 1831 descobriu indução elétrica (descoberta independentemente por Joseph Henry): Uma corrente elétrica pode induzir outra corrente enquanto ela está variando no tempo. Uma corrente estacionária não induz nenhuma corrente.
49 Michael Faraday Indução eletromagnética Durante muitos anos tentou descobrir um método para produzir corrente elétrica à partir do magnetismo. Em 1831 descobriu indução elétrica (descoberta independentemente por Joseph Henry): Uma corrente elétrica pode induzir outra corrente enquanto ela está variando no tempo. Uma corrente estacionária não induz nenhuma corrente. Indução eletromagnética: a variação da corrente primária causa linhas de campo magnético através do anel de ferro; isso, por sua vez induz uma corrente secundária.
50 Michael Faraday Indução eletromagnética Perguntou-se se o anel de ferro era necessário, e se uma corrente primaria era necessária ou apenas um campo magnético variável.
51 Michael Faraday Indução eletromagnética Perguntou-se se o anel de ferro era necessário, e se uma corrente primaria era necessária ou apenas um campo magnético variável. Descobriu que quando um imã é inserido numa espiral uma corrente era induzida na espiral.
52 Michael Faraday Indução eletromagnética Perguntou-se se o anel de ferro era necessário, e se uma corrente primaria era necessária ou apenas um campo magnético variável. Descobriu que quando um imã é inserido numa espiral uma corrente era induzida na espiral. Lei da indução: Linhas de força magnéticas variáveis podem produzir um corrente elétrica num fio: ɛ = dφ B dt ou E = B t As linhas de força podem ser variadas por uma imã em movimento ou por uma corrente elétrica num segundo fio.
53 Michael Faraday Lei da indução Lei de Lenz: A fem induzida dá origem a uma corrente que gera um campo magnético que se opõem à mudança do fluxo do campo magnético original
54 Michael Faraday Lei da indução Lei de Lenz: A fem induzida dá origem a uma corrente que gera um campo magnético que se opõem à mudança do fluxo do campo magnético original Graças a Faraday o conceito de campo adquire uma nova realidade.
55 Michael Faraday Lei da indução Lei de Lenz: A fem induzida dá origem a uma corrente que gera um campo magnético que se opõem à mudança do fluxo do campo magnético original Graças a Faraday o conceito de campo adquire uma nova realidade. Assim como o conceito de energia forneceu a conexão entre mecânica e calor, o conceito de campo conecta eletricidade e magnetismo (e, como veremos, a óptica) pois é capaz de armazenar energia.
56 Michael Faraday Lei da indução Lei de Lenz: A fem induzida dá origem a uma corrente que gera um campo magnético que se opõem à mudança do fluxo do campo magnético original Graças a Faraday o conceito de campo adquire uma nova realidade. Assim como o conceito de energia forneceu a conexão entre mecânica e calor, o conceito de campo conecta eletricidade e magnetismo (e, como veremos, a óptica) pois é capaz de armazenar energia. Canhão de Gauss:
57 Michael Faraday Lei da indução Lei de Lenz: A fem induzida dá origem a uma corrente que gera um campo magnético que se opõem à mudança do fluxo do campo magnético original Graças a Faraday o conceito de campo adquire uma nova realidade. Assim como o conceito de energia forneceu a conexão entre mecânica e calor, o conceito de campo conecta eletricidade e magnetismo (e, como veremos, a óptica) pois é capaz de armazenar energia. Canhão de Gauss: Ilustra como a energia é armazenada no campo magnético.
58 Michael Faraday Lei da indução Lei de Lenz: A fem induzida dá origem a uma corrente que gera um campo magnético que se opõem à mudança do fluxo do campo magnético original Graças a Faraday o conceito de campo adquire uma nova realidade. Assim como o conceito de energia forneceu a conexão entre mecânica e calor, o conceito de campo conecta eletricidade e magnetismo (e, como veremos, a óptica) pois é capaz de armazenar energia. Canhão de Gauss: Ilustra como a energia é armazenada no campo magnético. Em 1839 mostra que a divisão entre os vários tipos de eletricidade (estática, corrente e animal) era ilusória.
59 James Clerk Maxwell Em 1860 sintetizou todo o conhecimento do eletromagnetismo num conjunto de equações para as leis básicas: as equações de Maxwell
60 James Clerk Maxwell Em 1860 sintetizou todo o conhecimento do eletromagnetismo num conjunto de equações para as leis básicas: as equações de Maxwell D = ρ Lei de Gauss B = 0 ausência de monopolos magnéticos E = B t Lei de Faraday H = J + D t Lei de Ampére
61 James Clerk Maxwell Em 1860 sintetizou todo o conhecimento do eletromagnetismo num conjunto de equações para as leis básicas: as equações de Maxwell D = ρ Lei de Gauss B = 0 ausência de monopolos magnéticos E = B t Lei de Faraday H = J + D t Lei de Ampére No vácuo D = ɛ 0 E e B = µ0 H.
62 James Clerk Maxwell Em 1860 sintetizou todo o conhecimento do eletromagnetismo num conjunto de equações para as leis básicas: as equações de Maxwell D = ρ Lei de Gauss B = 0 ausência de monopolos magnéticos E = B t Lei de Faraday H = J + D t Lei de Ampére No vácuo D = ɛ 0 E e B = µ0 H. Maxwell teve que modificar a Lei de Ampére: como ( H) = 0 então J = 0 e não satisfaz a conservação da carga elétrica!
63 James Clerk Maxwell Em 1860 sintetizou todo o conhecimento do eletromagnetismo num conjunto de equações para as leis básicas: as equações de Maxwell D = ρ Lei de Gauss B = 0 ausência de monopolos magnéticos E = B t Lei de Faraday H = J + D t Lei de Ampére No vácuo D = ɛ 0 E e B = µ0 H. Maxwell teve que modificar a Lei de Ampére: como ( H) = 0 então J = 0 e não satisfaz a conservação da carga elétrica! Para completar é necessário dizer como uma carga elétrica interage com o campo eletromagnético: F = q( E + v B) Lei de Lorentz
64 James Clerk Maxwell Ondas eletromagnéticas No vácuo as eqs. ficam: D = H = 0 E H = µ 0 t ; H E = ɛ 0 t
65 James Clerk Maxwell Ondas eletromagnéticas No vácuo as eqs. ficam: D = H = 0 E = µ 0 H Equação da onda: 2 E ɛ 0 µ 0 2 E t 2 = 0 t ; H E = ɛ 0 t 2 B ɛ 0 µ 0 2 B t 2 = 0 Existem ondas eletromagnéticas!!!
66 James Clerk Maxwell Ondas eletromagnéticas No vácuo as eqs. ficam: D = H = 0 E = µ 0 H Equação da onda: 2 E ɛ 0 µ 0 2 E t 2 = 0 t ; H E = ɛ 0 t 2 B ɛ 0 µ 0 2 B t 2 = 0 Existem ondas eletromagnéticas!!! Objetos metálicos refletem essas ondas como um espelho.
67 James Clerk Maxwell Ondas eletromagnéticas No vácuo as eqs. ficam: D = H = 0 E = µ 0 H Equação da onda: 2 E ɛ 0 µ 0 2 E t 2 = 0 t ; H E = ɛ 0 t 2 B ɛ 0 µ 0 2 B t 2 = 0 Existem ondas eletromagnéticas!!! Objetos metálicos refletem essas ondas como um espelho. Sofrem difração.
68 James Clerk Maxwell Ondas eletromagnéticas No vácuo as eqs. ficam: D = H = 0 E = µ 0 H Equação da onda: 2 E ɛ 0 µ 0 2 E t 2 = 0 t ; H E = ɛ 0 t 2 B ɛ 0 µ 0 2 B t 2 = 0 Existem ondas eletromagnéticas!!! Objetos metálicos refletem essas ondas como um espelho. Sofrem difração. Mais surpreendente: a velocidade de propagação dessas ondas é 1/ ɛ 0 µ 0 = c: a velocidade da luz!!!!
69 Heinrich Hertz Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética.
70 Heinrich Hertz Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética. As ondas eletromagnéticas são produzidas pelo movimento oscilatório de cargas elétricas. A frequência de oscilação é a frequência da onda EM e, portanto, da luz.
71 Heinrich Hertz Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética. As ondas eletromagnéticas são produzidas pelo movimento oscilatório de cargas elétricas. A frequência de oscilação é a frequência da onda EM e, portanto, da luz. Frequência da luz visível s 1. Não havia como testar se a luz é uma onda EM.
72 Heinrich Hertz Heinrich Hertz utilizou um centelhador para produzir ondas de frequência 10 9 s 1 em
73 Heinrich Hertz Heinrich Hertz utilizou um centelhador para produzir ondas de frequência 10 9 s 1 em Tinham todas as propriedades da luz: reflexão, refração, interferência, polarização, etc. (exceto ser visível!).
74 Heinrich Hertz Heinrich Hertz utilizou um centelhador para produzir ondas de frequência 10 9 s 1 em Tinham todas as propriedades da luz: reflexão, refração, interferência, polarização, etc. (exceto ser visível!). Este foi o teste decisivo da equivalência entre luz e radiação EM.
75 Heinrich Hertz Heinrich Hertz utilizou um centelhador para produzir ondas de frequência 10 9 s 1 em Tinham todas as propriedades da luz: reflexão, refração, interferência, polarização, etc. (exceto ser visível!). Este foi o teste decisivo da equivalência entre luz e radiação EM. A luz visível é devido à vibração dos eletrons nos atomos!
76 Heinrich Hertz Heinrich Hertz utilizou um centelhador para produzir ondas de frequência 10 9 s 1 em Tinham todas as propriedades da luz: reflexão, refração, interferência, polarização, etc. (exceto ser visível!). Este foi o teste decisivo da equivalência entre luz e radiação EM. A luz visível é devido à vibração dos eletrons nos atomos!
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