O eletrodinâmica É o ramo da física que trata de tudo relacionado ao movimento das cargas elétricas. Descreva a evolução no tempo de um conjunto de N partículas com massa e carga elétrica, cujas posições e velocidades iniciais são conhecidas..
Se for um grande conjunto de partículas com impulso pequeno, seu movimento e as interações que ocorrem entre eles são descritos macroscopicamente por meio da eletrodinâmica clássica, que faz uso das leis do movimento de Newton e das leis de Maxwell.
E se o momento das partículas é grande e o número de partículas é pequeno, os efeitos relativístico e quântico devem ser levados em consideração..
Adicionar efeitos relativísticos e quânticos ao estudo do sistema depende da energia dos fótons envolvidos durante a interação. Fótons são partículas sem carga ou massa (para fins práticos) que são trocadas sempre que há uma atração ou repulsão elétrica.
Se o momento dos fótons for pequeno, comparado ao momento do sistema, a descrição clássica é suficiente para obter a caracterização deste.
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As leis que descrevem a dinâmica das partículas carregadas foram descobertas entre o final do século 18 e meados do século 19, quando surgiu o conceito de corrente elétrica, fruto do trabalho experimental e teórico de muitos cientistas..
O físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) fez a primeira pilha voltaica no início do século XIX. Com ele obteve uma corrente contínua, cujos efeitos passaram a ser estudados imediatamente.
A ligação entre cargas elétricas em movimento e magnetismo foi revelada com os experimentos do físico Hans Christian Oersted (1777-1851) em 1820. Neles foi observado que uma corrente elétrica era capaz de mover a agulha da bússola da mesma forma que os ímãs..
Foi André Marie Ampere (1775-1836) quem estabeleceu de forma matemática a ligação entre a corrente e o magnetismo, através da lei que leva o seu nome..
Simultaneamente, Georg Simon Ohm (1789-1854) estudou quantitativamente a maneira como os materiais conduzem eletricidade. Ele também desenvolveu o conceito de resistência elétrica e sua relação com a tensão e a corrente, através da lei de Ohm para circuitos.
Michael Faraday (1791-1867) encontrou uma maneira de gerar uma corrente por meio do movimento relativo entre a fonte do campo magnético e um circuito fechado.
Algum tempo depois, o físico James Clerk Maxwell (1831-1879) criou uma teoria do eletromagnetismo que unificou todas as leis descobertas, explicando os fenômenos até então conhecidos..
Além disso, por meio de suas equações, Maxwell previu vários efeitos que foram confirmados posteriormente. Por exemplo, quando Heinrich Hertz (1857-1894), descobridor das ondas de rádio, verificou que elas se moviam à velocidade da luz.
Com o advento da teoria da relatividade, no início do século 20, foi possível explicar o comportamento de partículas com velocidades próximas à da luz, enquanto a mecânica quântica aprimorou a eletrodinâmica introduzindo o conceito de spin e explicando a origem. do magnetismo na matéria.
A eletrodinâmica é baseada em quatro leis, que são conhecidas separadamente como: lei de Coulomb, lei de Gauss, lei de Ampère e lei de Faraday..
Essas quatro leis, mais o princípio de conservação de carga, que é derivado delas e a lei de força de Lorentz, descrevem como as cargas elétricas interagem do ponto de vista clássico (sem considerar o fóton como um mediador).
Se a velocidade das partículas for próxima à da luz, seu comportamento muda e é necessário adicionar correções relativísticas à teoria clássica que são derivadas da teoria da relatividade de Albert Einstein (eletrodinâmica relativística).
E quando a escala dos fenômenos a serem estudados é a escala atômica ou menor, os efeitos quânticos adquirem relevância, dando origem ao eletrodinâmica quântica.
As matemáticas necessárias para o estudo da eletrodinâmica são a Álgebra Vetorial e o Cálculo Vetorial, uma vez que os campos elétricos e magnéticos são entidades de natureza vetorial. Campos escalares, como potencial elétrico e fluxo magnético, também participam.
Os operadores matemáticos para as derivadas de funções vetoriais são:
Os sistemas de coordenadas são necessários para resolver as equações de Maxwell. Além das coordenadas cartesianas, o uso de coordenadas cilíndricas e esféricas é comum..
Na integração aparecem os teoremas de Green, Stokes e o teorema da divergência.
Finalmente, existe uma função chamada Delta de Dirac, que é definida por meio de suas propriedades e é muito útil para expressar distribuições de carga confinadas a uma determinada dimensão, por exemplo, uma distribuição linear, superficial, um ponto ou um plano.
A origem das ondas eletromagnéticas está nas cargas elétricas cujo movimento é acelerado. Uma corrente elétrica variável no tempo produz um campo elétrico, descrito pela função vetorial E(x, y, z, t) e por sua vez produz um campo magnético B (x, y, z, t).
Esses campos se combinam para formar o campo eletromagnético, no qual o campo elétrico origina o campo magnético e vice-versa..
Quando as cargas elétricas são estáticas, há atração ou repulsão eletrostática entre elas, enquanto a interação magnética surge do movimento das cargas..
As quatro equações de Maxwell relacionam cada um dos campos à sua fonte e, juntamente com a força de Lorentz, formam a base teórica da eletrodinâmica..
O fluxo do campo elétrico que deixa um volume encerrado pela superfície fechada S é proporcional à carga líquida encerrada nela:
Onde dPARA é um diferencial da área e k é a constante eletrostática. Esta lei é uma consequência da lei de Coulomb para a força entre as cargas elétricas.
O fluxo do campo magnético através de um volume delimitado por uma superfície fechada S é zero, pois os monopólos magnéticos não existem..
Consequentemente, sempre que um ímã é encerrado dentro de um volume delimitado por S, o número de linhas de campo que entram em S é igual ao número de linhas que saem:
Michael Faraday descobriu que o movimento relativo entre um loop metálico fechado C e um ímã gera uma corrente induzida. A tensão induzida (força eletromotriz) εind, associado a esta corrente, é proporcional ao tempo derivado do fluxo magnético ΦB que cruza a área delimitada pelo loop:
O sinal menos é a lei de Lenz, que afirma que a tensão induzida se opõe à mudança no fluxo que a produz. Mas a força eletromotriz induzida é a integral de linha do campo elétrico ao longo do caminho fechado C, portanto:
A circulação do campo magnético em uma curva C é proporcional à corrente total que a curva envolve. Existem duas contribuições para isso: a corrente de condução I e a corrente de deslocamento causada pela variação no tempo do fluxo elétrico ΦE:
Onde μou e εou são constantes, o primeiro é o permeabilidade a vácuo e o segundo o permissividade elétrica do vácuo.
As equações de Maxwell descrevem a relação entre E, B e suas respectivas fontes, mas a dinâmica de uma carga elétrica é descrita pela lei de Lorentz ou força de Lorentz.
Ela aponta que a força total agindo em uma carga o que que se move com velocidade v no meio de um campo elétrico E e um campo magnético B (não produzido por o que) É dado por:
F = qE + o quev x B
As cargas em movimento ordenado constituem uma corrente elétrica, que é capaz de gerar energia para realizar trabalhos úteis: acender lâmpadas, mover motores, enfim, dar partida em inúmeros aparelhos..
A eletrodinâmica possibilita a transmissão de energia elétrica, por meio de corrente alternada, de locais distantes onde a energia é transformada e gerada, para cidades, indústrias e residências.
Visando o estudo das cargas em movimento, a eletrodinâmica é o alicerce físico da eletrônica, que trata de projetar dispositivos que, por meio de circuitos eletrônicos, aproveitem o fluxo de cargas elétricas para gerar, transmitir, receber e armazenar sinais eletromagnéticos contendo informações..
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