Eletricidade e Magnetismo I

Transcrição

1 Eletricidade e Magnetismo I Magnetismo Victor O. Rivelles Instituto de Física da Universidade de São Paulo Edifício Principal, Ala Central, sala [email protected]

2 Galvani e Volta Luigi Galvani

3 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.

4 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. Video: Galvani e Volta

5 Ørsted Hans Christian Ørsted Em 1820 descobriu que quando ligava e desligava uma bateria a agulha de uma bússola próxima movia-se. Vídeo: Experiência de Ørsted 0bQtqaE

6 Ørsted Hans Christian Ørsted Em 1820 descobriu que quando ligava e desligava uma bateria a agulha de uma bússola próxima movia-se. Vídeo: Experiência de Ørsted 0bQtqaE Um campo magnético é irradiado por um fio que transporta uma corrente elétrica: relação entre eletricidade e magnetismo!

7 Ørsted Hans Christian Ørsted Em 1820 descobriu que quando ligava e desligava uma bateria a agulha de uma bússola próxima movia-se. Vídeo: Experiência de Ørsted 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!

8 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 Video: Campo magnético de um fio

9 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!)

10 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 2 r 2 Video: Experiência de Ampére L 1

11 Michael Faraday Não era formado na universidade. Era assistente de laboratório de Humphry Davy.

12 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.

13 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: Video: Linhas de campo magnético

14 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: Video: Linhas de campo magnético A coleção de linhas de força foi chamada de campo magnético.

15 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar.

16 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar

17 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico

18 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico Video: Motor homopolar 1

19 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico Video: Motor homopolar 1 Video: Motor homopolar 2

20 Michael Faraday Motor Elétrico Em 1821 construiu o primeiro motor eletromagnético: o motor homopolar. Figura: Motor homopolar Figura: Motor elétrico Video: Motor homopolar 1 Video: Motor homopolar 2 Video: Motor homopolar 3

21 Michael Faraday Indução eletromagnética Durante muitos anos tentou descobrir um método para produzir corrente elétrica à partir do magnetismo.

22 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):

23 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.

24 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.

25 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.

26 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.

27 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. Video: Indução eletromagnética

28 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. Video: Lei de Lenz Video: Demonstração da Lei de Lenz

29 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. Video: Lei de Lenz Video: Demonstração da Lei de Lenz Graças a Faraday o conceito de campo adquire uma nova realidade.

30 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. Video: Lei de Lenz Video: Demonstração da Lei de Lenz 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.

31 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. Video: Lei de Lenz Video: Demonstração da Lei de Lenz 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. Video: Canhão de Gauss

32 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. Video: Lei de Lenz Video: Demonstração da Lei de Lenz 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. Video: Canhão de Gauss Ilustra como a energia é armazenada no campo magnético.

33 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. Video: Lei de Lenz Video: Demonstração da Lei de Lenz 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. Video: 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.

34 James Clerk Maxwell Em 1860 sintetizou todo o conhecimento do eletromagnetismo num conjunto de equações para as leis básicas: as equações de Maxwell

35 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

36 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.

37 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!

38 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

39 James Clerk Maxwell Ondas eletromagnéticas No vácuo as eqs. ficam: D = H = 0 E H = µ 0 t ; H E = ɛ 0 t

40 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!!! Video:

41 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!!! Video: Objetos metálicos refletem essas ondas como um espelho.

42 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!!! Video: Objetos metálicos refletem essas ondas como um espelho. Sofrem difração.

43 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!!! Video: 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!!!!

44 Heinrich Hertz Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética.

45 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.

46 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.

47 Heinrich Hertz Heinrich Hertz utilizou um centelhador para produzir ondas de frequência 10 9 s 1 em

48 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!).

49 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.

50 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! Video: antena dipolar