aulas de ondas, otica e eletromagnetismo.pdf

8/11/2019 Aulas de Ondas, Otica e Eletromagnetismo.pdf

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Joel Cmara de Carvalho Filho

Ranilson Carneiro Filho

EletromagnetismoD I S C I P L I N A

O eletromagnetismo

Autores

aula

01Material APROVADO (contedo e imagens) Data: ___/___/___

ome:______________________________________


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Secretria de Educao a Distncia

Vera Lucia do Amaral

Secretaria de Educao a Distncia SEDIS


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Aula 01 Eletromagnetismo 1

1

2

3

Apresentao

N

esta aula, faremos uma introduo geral ao eletromagnetismo. Mencionaremos os

principais fenmenos eltricos e magnticos, e alguns aspectos histricos. Falaremosdos cientistas que, ao longo dos ltimos quinhentos anos dedicaram suas vidas

pesquisa dos fenmenos eletromagnticos. Veremos como o avano desta cincia contribuiupara o desenvolvimento da humanidade, e como suas muitas aplicaes tecnolgicas tm

auxiliado a civilizao moderna.

Objetivos

Proporcionar uma viso geral sobre o eletromagnetismo.

Apresentar os principais fatos histricos.

Estudar a vida e a obra dos cientistas que contriburam

para o desenvolvimento desta rea da Fsica.

VERSO DO PROFESSOR

Material APR VAD (contedo e imagens) Data: ___/___/___ Nome:______________________


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Aula 01 Eletromagnetismo2

A tempestade

F

abiano voltava de mais um dia de trabalho na

roa. J era tardinha, mas, um calor abafado

ainda o sufocava. O Sol ainda estava l, bem

acima do horizonte, porm o cu estava cada vez

mais escuro por causa de grossos blocos de nuvenscinzentas e carregadas. Desde cedo, elas vinham

se juntando e agora formavam imensas montanhas

cobrindo quase todo o Cu. Parecia que hoje ia chover.Tudo em volta estava seco, estorricado. Os bichos notinham mais o que comer. Fabiano esperava ansioso

por este dia e agora ficara contente; vinha chuva por

a. Apressou o passo para chegar mais cedo, seno

chegaria a sua casa todo molhado. Mas no adiantou.O tempo escureceu rapidamente e ele comeou a verclares de luz nas nuvens. Os clares eram cada vez

mais frequentes e, a trovoada que antes se ouvia a

distncia, tornou-se frentica. Um vento forte levantavaa poeira da estrada, batia contra seu rosto e ele tinhaque apertar os olhos para poder enxergar o caminho.Agora tudo estava muito escuro, a chuva comeou a

cair e foi rapidamente ficando muito intensa. Fabianoestava perto de casa, avistava a porteira, quando de

repente, aconteceu o que ele j temia. Um forte clarorasgou o Cu cegando-o temporariamente. Correu

para casa para encontrar Sinh Vitria e os meninos

na soleira da casa, todos plidos e trmulos. Algum

tempo depois, passado o susto, sentaram para jantarsob a luz de um lampio velho que raramente era

usado: no havia energia eltrica. A geladeira estava

parada e, naquela noite, no teve televiso para assistirnem rdio para ouvir. Foram dormir mais cedo. Pela

manh, constataram o estrago que o raio tinha feitona rvore onde caiu. Ela estava praticamente partida

ao meio como se um machado gigante a houvesse

rasgado de cima a baixo.

OFE

aterial APR VAD (contedo e imagens) Data: ___/___/___ Nome:______________________


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A importncia do eletromagnetismo

Naquele final de tarde, Fabiano havia testemunhado talvez o mais impressionante fenmenoeltrico natural que o homem conhece. A estonteante quantidade de energia liberada quase queinstantaneamente de um raio sob a forma de luz, calor e som, alm de assustadora, possui

tremendo potencial destruidor. Na aula 13 (Aplicaes do eletromagnetismo), estudaremos

como so formados os raios e suas propriedades.

Os fenmenos eltricos e magnticos so presenas constantes em nossa vida,

manifestando-se de forma natural ou criado artificialmente pelo homem. So as foras eltricas

que mantm unidos os tomos e as molculas do nosso corpo e dos objetos que nos rodeiam.A importncia da eletricidade inquestionvel. ela que permite o funcionamento dos aparelhoseletrnicos, movimenta os aparelhos eletrodomsticos, permite a iluminao das cidades e

fornece energia para muitas outras atividades da vida contempornea.

H pouco mais de cem anos, o cotidiano do homem era bastante diferente do dos diasatuais. A inveno do gerador eltrico levou a uma mudana radical. A inveno da luz eltricamelhorou a qualidade de vida: o telefone tornou a comunicao a distncia praticamente

instantnea enquanto que o fongrafo, o rdio, a televiso e os computadores fizeram uma

verdadeira revoluo.

Naquela noite, aps a tempestade, Fabiano e sua famlia, apesar de no saberem

exatamente como a queda do raio fez faltar luz, sentiram o poder e a importncia dos

fenmenos eletromagnticos.

Histria do eletromagnetismo

Ahistria do eletromagnetismo data de mais de dois mil anos atrs e a histria das

observaes, descobertas e teorias realizadas pela humanidade. Alguns fenmenos

eltricos e magnticos eram conhecidos pelas antigas civilizaes, mas eles no

tinham como explic-los cientificamente. Somente a partir do Sculo XVII, com o advento

e o subsequente avano da cincia moderna, o homem iniciou uma investigao detalhada

desses fenmenos, o que o levou a uma compreenso cada vez mais completa dos mesmos.Um dos momentos mais importantes dessa histria foi a descoberta de que a eletricidade

e o magnetismo eram aspectos diferentes do mesmo fenmeno e a cincia pde realizar a

unificao das duas no eletromagnetismo.

VERSO DO PROFESSOR



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a b

A eletricidade e o magnetismo na antiguidadeApesar de no haver registros, os fenmenos eltricos e magnticos mais simples

devem certamente ter sido observados pelos egpcios ou outra civilizao antiga. Sabia-se

que pequenos fragmentos de palha, algodo ou outro material leve e seco eram atrados pelombar, depois de atritado por um pedao de l. O mbar, Figura 1(a), uma resina fssil de

uma espcie de pinheiro extinta h milhes de anos e tem uma cor amarela semitransparente.Vrias teorias existiam para explicar o poder de atrao do mbar quando friccionado. Segundoos gregos, os pedaos de mbar eram lgrimas das Heladas, as filhas do Sol. Devido sua corsemelhante a do Sol, acreditava-se que dentro dele existia uma grande quantidade de calor eque, depois de atritado, o mbar liberava esse calor deixando um vazio em seu lugar. Assim, ombar atraa os corpos leves para tentar preencher o vazio deixado pelo calor. O nome gregopara o mbar era elektron, de onde deriva a palavra eletricidade e eltron.

Um outro fenmeno observado tanto na China como na Grcia antiga era a atrao que aspedras de um mineral encontrado na natureza, chamado magnetita, Figura 1(b), exerciam sobre

pedaos de ferro. A magnetita encontrada na natureza como um m natural e o seu nomeest ligado provncia de Magnsia, uma regio da sia Menor rica neste minrio e de ondeele provinha. As expresses magntico e magnetismo tm origem na palavra magnetita.

Figura 1 (a) Um fragmento de mbar; (b) uma pedra de magnetita atraindo pregos e limalhas de ferro

Fonte:

(a).(b).

Acessoem:20jan.

2009.

No Sculo VI a.C., o filsofo grego Thales de Mileto, Figura 2, descreveu as propriedades dombar e da magnetita. Ele achava que tanto o mbar como a magnetita possuam um poder vital,

uma alma. Muito antes de a humanidade ter um entendimento claro sobre o eletromagnetismo,certamente que muitas manifestaes dos fenmenos eltricos e magnticos eram conhecidaspelos homens primitivos. No Egito Antigo, sabia-se que certas espcies de peixes como as

enguias eltricas produziam um choque eltrico. Os filsofos antigos observavam os raios

durante as tempestades, alm da atrao produzida pelo mbar e pela magnetita. Porm,

estavam ainda bem longe de perceber que havia uma ligao ntima entre todos esses fatos.

Foi somente durante o perodo da histria conhecido como Renascena que teve incio os

primeiros estudos sistemticos sobre os fenmenos eltricos e magnticos, como veremos

na prxima seo.

VERSO DO PROFESSOR



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Figura 2 O filsofo grego Thales de Mileto

Fonte:

.

Acessoem:20jan.

2009.

A RenascenaOs primeiros estudos sobre o magnetismo

Com a exceo da descoberta da bssola e seu uso em navegao no houve praticamentenenhum progresso no campo da eletricidade e do magnetismo durante os mais de mil anos doperodo de trevas da Idade Mdia. Foi somente no Sculo XVI que os fenmenos magnticosforam pesquisados cientificamente. O grande precursor destes estudos foi William Gilbert

(1540 - 1603) que foi presidente do Colgio de Mdicos Real e mdico pessoal da Rainha

Elizabeth I. Em 1600, ele publicou sua grande obra, De magnetee compreendeu corretamenteque a Terra era um m gigante e chegou a construir uma esfera magnetizada de magnetita.

Colocando uma pequena bssola em vrios pontos da sua superfcie, ele demonstrou algumaspropriedades observadas no campo magntico da Terra. A medida do ngulo de inclinao

vertical da agulha da bssola permitia uma estimativa da latitude do local, o que seria muito

til para a navegao.

William Gilbert, Figura 3, tambm estudou os fenmenos eltricos e observou as

diferenas entre a atrao eltrica e a magntica. Ele constatou que no apenas o mbar

podia ser eletrizado, mas tambm o enxofre, a cera e o vidro, e elaborou uma grande lista demateriais que poderiam ser eletrizados por atrito. Notou tambm que as atraes eltrica e

magntica eram mais intensas quanto mais prximos os objetos estavam um do outro. Gilbertcriou o termo eletricidade a partir do grego elektron (mbar) e pela primeira vez fez usodos termos fora eltrica, polo magntico e atrao eltrica. William Gilbert considerado ofundador da cincia eltrica. Outra importante descoberta foi feita neste perodo por Robert

Boyle (1627 1691) que, em 1675, verificou que a atrao e a repulso eltricas podem

agir atravs do vcuo. Essa descoberta indicava que os efeitos eltricos no dependiam da

existncia de um meio como o ar.

VERSO DO PROFESSOR



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Figura 3 William Gilbert

Fonte:.

Acessoem:20jan.

2009.

Otto von Guericke

e o primeiro gerador eletrostticoOtto von Guericke (1602-1686) nasceu na Alemanha e foi advogado, matemtico,

engenheiro e poltico. Fez muitos experimentos cientficos ao longo de sua vida. Em 1650,

inventou a bomba de vcuo, capaz de bombear o ar para fora de vrios recipientes e demonstroua existncia da presso da atmosfera.

Como von Guericke, Figura 4(a), acreditava que a atrao gravitacional era de natureza

eltrica, construiu, em 1663, uma esfera de enxofre que girava em torno de um eixo. Quandoa esfera era colocada para girar e atritada com um tecido de algodo, ela ficava eletrizada e

era capaz de atrair vrios objetos. Ele estudou a atrao, repulso e a produo de fascaseltricas. A esfera giratria de von Guericke pode ser considerada a primeira mquina eltricaque se tem notcia, conforme a Figura 4(b). Esse tipo de gerador eltrico logo se tornou um

padro e foi usada durante mais de um sculo.

Com a inveno da mquina geradora de eletricidade agora era possvel gerar grandes

quantidades de energia eltrica. Um exemplo espetacular a experincia realizada pelo holandsPieter van Musschenbroek, um professor de Fsica na cidade de Leyden.

Em 1746, ele descobriu que a energia poderia ser armazenada numa garrafa de vidro,

cheia de gua, que ficou conhecida com garrafa de Leyden, conforme a Figura 4(c). Quando

ele tocou a parte de dentro e de fora da garrafa, ao mesmo tempo, levou um poderoso choqueque o fez estremecer. A garrafa de Leyden, que na verdade um capacitor de alta capacitnciapassou a ser amplamente usada nos laboratrios. Na Inglaterra, Sir William Watson aperfeioousignificativamente esse aparato, envolvendo a garrafa externamente com uma folha metlica.

Nessa poca, os fenmenos eltricos se popularizaram e demonstraes pblicas eramfeitas com grande sucesso. O francs Le Monnier chegou a dar um choque em 140 pessoas,

VERSO DO PROFESSOR



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a b c

colocando-as de mos dadas, ligadas a uma garrafa de Leyden na presena do rei da Frana.A plateia se divertia ao observar a reao daqueles que recebiam o choque.

Figura 4 (a) Otto von Guericke; (b) o gerador eltrico; (c) a garrafa de Leyden

Fonte :(a) . (b). (c)


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a b

Em 1749, ele observou as semelhanas entre as propriedades do raio e da eletricidade.Por exemplo, tanto uma fasca eltrica como um raio poderia matar animais, causar incndios,fluir atravs de condutores e se concentrar nas partes pontiagudas dos objetos metlicos. Maistarde, ele usou esta ltima propriedade para inventar o para-raio. As investigaes de Franklinderam embasamento e ajudaram toda uma gerao de cientistas como Galvani, Volta, Faraday,Ampre e Ohm, cujos trabalhos estabeleceram as bases da cincia e tecnologia moderna.

Figura 5 (a) Benjamim Franklin; (b) a experincia com a pipa

Fonte:

(a).(b)

.

Acessoem:20jan.

2009.

Galvani e a r!

Luigi Galvani (1737-1798) foi doutor e professor de anatomia na Universidade de Bolonha(Itlia). Parte do seu trabalho era dissecar animais. Ele tinha no seu laboratrio uma mquinaeltrica ligada a um condutor que ele estava usando em pesquisas eltricas. Por volta de

1780, Figura 6(a), um de seus assistentes notou que ao tocar um nervo de r dissecado comum bisturi de metal, a perna da r se contraiu violentamente. Isso aconteceu porque o bisturiestava prximo da mquina eltrica quando ela estava em funcionamento.

Tendo estabelecido que as pernas da r se contraiam devido excitao eltrica da

mquina, Galvani se perguntou se o fenmeno ocorreria como conseqncia da eletricidade

atmosfrica, quando tempestades eram eminentes. Ele pendurou rs em ganchos de metal e

observou que as contraes aconteciam, mas no estavam relacionadas s tempestades. Eleconcluiu que as contraes no estavam relacionadas eletricidade atmosfrica.

Galvani colocou os animais sobre um prato de ferro e observou as mesmas contraesao apertar as rs contra o prato com o gancho metlico que as sustentavam. Verificou tambmque se substitusse o gancho por outro de ferro as contraes no aconteciam. Os dois metaistinham que ser diferentes e que zinco e cobre eram mais eficientes.

VERSO DO PROFESSOR

atera APR VAD (contedo e imagens) Data: ___/___/___ Nome:______________________


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a b

Galvani pensou que tinha descoberto a eletricidade animal. Na verdade, o que sabemoshoje que os dois metais diferentes em contato com a umidade, existente no tecido da r,

geravam eletricidade que, ao atuar sobre os nervos dos msculos do animal morto, faziam estesse contrair. Estava aberta a porta para a inveno da bateria galvnica por Volta. O instrumentode medida de corrente eltrica chamado galvanmetro em homenagem a Galvani.

Figura 6 (a) Luigi Galvani; (b) a experincia com a r

F

onte:

(a).(b).Acessoem:

2

2jan.

2009.

Charles Coulomb

Charles Augustin de Coulomb, Figura 7, nasceu em 1736, em Angoulme (Frana).

Ele estudou em Paris no Collge Mazarin, onde estudou Literatura, Filosofia, Matemtica,

Astronomia, Qumica e Botnica. Ele deixou Paris e foi para Montpellier para viver com o

pai e nessa poca seus interesses principais eram Matemtica e Astronomia. Em 1757, ele

apresentou vrios trabalhos na Sociedade de Cincias.

Em 1758, ele foi para Paris e entrou na cole du Gnie em Mzires, em 1760. Coulombse formou em 1761 como engenheiro. Durante os vinte anos seguintes, ele esteve envolvidocom engenharia, clculo estrutural, fortificaes e muitas outras reas; comeou a escrever

trabalhos importantes em mecnica aplicada e apresentou seu primeiro trabalho, em 1773,

Academia de Cincias em Paris; tambm escreveu um trabalho famoso sobre a bssola

magntica que submeteu ao Grande Prmio da Academia de Cincias, em 1777 (nesse trabalho,ele estudava a balana de toro); continuou as pesquisas em mecnica; e seus estudos sobre

atrito so considerados to importantes, que se pode dizer que ele criou essa cincia.

Ele ainda escreveu sete tratados importantes sobre eletricidade e magnetismo entre

1785 e 1791. Nesses, ele desenvolveu sua teoria sobre a repulso e a atrao entre corposcarregados com cargas eltricas de mesmo sinal e de sinais opostos. Ele mostrou que o

mdulo da fora entre elas proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcionalao quadrado da distncia. Essa a famosa Lei de Coulomb do eletromagnetismo que

estudaremos na aula 2 (Eletrosttica).

VERSO DO PROFESSOR



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As pesquisas sobre eletricidade e magnetismo, embora sendo o mais importante trabalhode Coulomb nesse perodo, era s uma pequena parte do trabalho que ele empreendeu. Ele

apresentou vinte e cinco monografias Academia de Cincias entre 1781 e 1806. Coulomb

morreu em 1806, em Paris, e o nome da unidade de carga eltrica (coulomb) foi dado em

sua homenagem.

Figura 7 Charles Augustin de Coulomb F

onte:.

Acessoem:20jan.

2009.

A bateria de Volta

Alessandro Volta (1745-1827) nasceu em Como, na Itlia, e se tornou professor de Fsica

na Universidade de Pavia, em 1779. Ele repetiu as experincias de Galvani e notou que, comoGalvani j tinha feito, a contrao era devido presena de eletricidade e acontecia quando

dois metais diferentes entravam em contato com a r. Ao contrrio de Galvani, Volta, Figura

8(a), no acreditava que a fonte de eletricidade era o prprio animal.

Mas qual seria a origem dessa eletricidade? Certamente, viria dos dois pedaos de fio

(ferro e cobre) e da r. Para continuar suas pesquisas, ele resolveu substituir o animal por umpedao de papelo, embebido em gua salgada, colocado entre duas tiras de cobre e zinco,

conforme as Figuras 8(b) e 8(c). Para aumentar o efeito, Volta empilhou em torno de sessentadestes sanduches um em cima do outro, que ele chamou de bateria. Ao conectar as duas

extremidades, obteve, apesar de muito fraca, uma fasca eltrica. Estava assim inventada, em1800, a primeira bateria eltrica que era capaz de fornecer uma grande quantidade de carga ede forma contnua, em contraste com as mquinas eltricas at ento existentes. O nome daunidade de potencial eltrico (volt) foi dado em homenagem a Volta.

VERSO DO PROFESSOR



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a b c

a b

Figura 8 (a) Alessandro Volta; (b) a pilha eltrica de Volta; (c) desenho esquemtico da pilha de Volta

Fonte:

(a).(b)

.(c).

Acessoem:

20jan.

2009.

As grandesdescobertas do sculo XIX

A unificao da eletricidade com o magnetismoHans Christian Oersted (1777 1851) foi um fsico e qumico dinamarqus que, com

suas descobertas, uniu as cincias da eletricidade e do magnetismo que at ento caminhavamseparadas. Em 1819, Oersted, Figura 9(a), realizou uma experincia, Figura 9(b), na qual observouque quando a eletricidade flui atravs de um fio, produz um campo magntico que afeta a agulhade uma bssola prxima. Cada vez que a corrente eltrica da bateria era ligada a agulha de

bssola se afastava do norte magntico. Ele concluiu que um campo magntico era irradiado detodos os lados do fio e estabelecia assim, uma relao direta entre eletricidade e magnetismo.

Ele tambm observou que o movimento da agulha para um lado ou para o outro dependia da

direo da corrente. A unidade de induo magntica oersted foi dada em sua homenagem.

Figura 9 (a) Oersted; (b) descoberta da relao entre eletricidade e magnetismo

Fonte:(a).(b).

ACessoem:20jan.

2009.

VERSO DO PROFESSOR



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A Lei de AmpreAndr-Marie Ampre (1775 1836) nasceu na Frana e foi professor de matemtica

na Ecole Polytechnique. Uma semana depois de ouvir falar da descoberta de Oersted, que

a agulha da bssola sofria a ao de uma corrente eltrica, Ampre (Figura 10) realizou seu

prprio experimento e publicou entre 1821 e 1827 vrios trabalhos, onde tentava construir

uma teoria unificada da eletricidade e do magnetismo. Ele mostrou que um fio percorrido

por uma corrente se comporta como um m ordinrio. Em 1821, ele props um sistema detelegrafia utilizando galvanmetros, mas Peter Barlow observou que seu alcance mximo erade apenas uns 60 metros.

Ele desenvolveu a chamada Lei de Ampre que estudaremos na aula 11, e que permite

o clculo do campo magntico produzido por uma distribuio de correntes. Sua teoria

matemtica explicava alguns fenmenos eletromagnticos conhecidos e era capaz de predizernovos fenmenos. Suas pesquisas o levaram a concluir que condutores paralelos atravessadospor correntes na mesma direo se atraem e quando percorridos por correntes em direes

opostas se repelem. Ampre foi o primeiro a desenvolver tcnicas para medir correntes eltricase construiu um instrumento que contribui para o desenvolvimento do galvanmetro.

O nome da unidade de corrente eltrica (ampere) foi dado em sua homenagem.

Figura 10 (a) Andr-Marie Ampre

Fonte:(a).

Acessoem:20jan.20

09.

Duas outras grandes contribuies para a compreenso dos fenmenos eltricos emagnticos foram dadas no incio do Sculo XIX. Em 1820, os franceses Jean-Baptiste Biot

e Felix Savart mostraram que a fora exercida pelo campo magntico sobre um fio percorridopor uma corrente decresce com o inverso da distncia e orientada perpendicularmente ao fio.

Georg Simon Ohm, um professor alemo, publicou, em 1827, um importante resultadoconhecido hoje como a Lei de Ohm. Ohm desenvolveu a idia de que a voltagem que

impulsiona a corrente eltrica (veja aula 8 Corrente e resistncia eltricas ). A unidade de

resistncia eltrica (ohm) foi dada em sua homenagem.

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Michael FaradayMichael Faraday, Figura 11(a), nasceu em 1791, em Newington, perto de Londres e

faleceu em 1867, em Middlesex (Inglaterra). Sua famlia era muito pobre: seu pai, ferreiro deprofisso, tinha constantes problemas de sade e no pode proporcionar uma educao formalpara ele. Desde muito jovem, Faraday teve que trabalhar, inicialmente, como encadernador.

Nessa profisso, ele tinha acesso a muitos livros que lia com entusiasmo e adquiriu um grandeinteresse e ficou fascinado pelos livros de cincia. Ele estudou os artigos sobre eletricidade

no Enciclopdia Britnica, leu um livro de Qumica e ficou muito interessado em magnetismo.

Em 1812, Faraday obteve ingressos para comparecer s conferncias de Humphry Davy,que era presidente da Royal Institution. Faraday fez 386 pginas de anotaes e enviou umacpia a Davy, junto com um pedido de trabalho como assistente de Davy. Este ficou muito

impressionado e, algum tempo depois, contatou Faraday e lhe ofereceu um trabalho.

Em 1820, Oersted mostrou que uma corrente eltrica podia produzir um campo magntico.

Faraday comeou a pesquisar este fenmeno e, apenas um ano depois da descoberta deOersted, ele j tinha construdo um dispositivo que consistia em um fio dobrado, um m e

uma bateria. Quando a corrente era ligada, um campo magntico surgiu no fio que comeoua girar ao redor do m. Faraday tinha acabado de inventar o motor eltrico.

Em 1831, Faraday comeou as experincias que o conduziram descoberta da lei de

induo eletromagntica. Oersted tinha convertido corrente eltrica em uma fora magntica.Faraday pretendia inverter o processo e criar eletricidade a partir do magnetismo. Ele enrolouduas bobinas separadas de fio ao redor de um anel de ferro. A primeira bobina foi ligada a umabateria atravs de um interruptor enquanto a segunda foi conectada a um galvanmetro. Ele

imaginava que a primeira bobina geraria um campo magntico, que a segunda interceptariae converteria em corrente eltrica, que seria registrada pelo galvanmetro. De fato, Faraday

viu que ao ligar a bateria, uma corrente eltrica era momentaneamente induzida na outra.

A experincia funcionou e esse dispositivo ficou conhecido como um transformador e

largamente usado at hoje.

Porm, o resultado no era exatamente o que ele esperava, porque em vez de registraruma corrente contnua, o galvanmetro s se movia quando o circuito era aberto ou fechado.A idia era que quando a corrente fosse ligada ou desligada, isso faria as linhas de fora

magntica da primeira bobina se expandir ou contrair atravs da segunda bobina induzindo

nesta um fluxo momentneo. Desse modo, Faraday descobriu o princpio de induo eltrica.Nos Estados Unidos, o fsico Joseph Henry fez a mesma descoberta independentemente.

Ele imaginou tambm que se movesse um m atravs de uma volta de fio, ou vice-versa,

uma corrente eltrica fluiria no fio. A prxima meta de Faraday era produzir uma corrente

contnua em vez de s um surto momentneo. Em 1831, Faraday colocou um disco de cobrepara girar entre os polos de um m permanente. Isso induziu corrente eltrica, de forma

contnua no disco. Faraday tinha assim produzido a maior inveno eltrica da histria: o

gerador de energia eltrica.

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S

N

voltmetro

a b

Ele tambm props o conceito de campo e de linhas de fora. O conceito de linhas

de fora, que emanou dos corpos carregados e ms, proporcionou uma maneira de visualizaros campos eltricos e magnticos. Esse modelo mental foi crucial para o desenvolvimento

de dispositivos eletromecnicos que dominaram o Sculo XIX. Sua ideia de que um campo

magntico varivel produz um campo eltrico e que se constitui a base da chamada Lei de

Faraday, que estudaremos na aula 12 (A lei de Faraday e as equaes de Maxwell), se tornariamais tarde um das quatro equaes de Maxwell do eletromagnetismo. Em 1834, Faraday

descobriu a autoindutncia e em 1837, desenvolveu a ideia da constante de dieltrica. Em

1838, ele mostrou que os efeitos da eletricidade induzida em materiais isolantes so anlogosao magnetismo induzido em materiais magnticos e em 1846, descobriu o diamagnetismo.

Faraday foi, sem dvida alguma, um dos maiores cientistas do Sculo XIX. Um mestre

no uso da intuio nas suas descobertas cientficas, fazendo pouco uso da Matemtica. Suasrealizaes so ainda mais notveis, considerando que ele no teve nenhuma educao

formal em Cincia ou Matemtica, e mesmo assim pode estabelecer a natureza fundamentalde eletricidade e de magnetismo.

Figura 11 (a) Faraday; (b) o primeiro gerador eltrico

Fonte:(a).

(b).

Acessoem:20jan.

2009.

James Clerk MaxwellJames Clerk Maxwell (1831 - 1879) nasceu em Edinburgh (Esccia). Quando tinha oito

anos, sua me morreu e em 1841, ele iniciou seus estudos na Academia de Edimburgo. Em

1846, aos 14 anos de idade, Maxwell escreveu um trabalho sobre curvas ovais. Nesse trabalho,ele generalizou a definio de uma elipse e tambm definiu curvas onde havia mais de dois

focos. Este se tornou o primeiro trabalho que apresentou Sociedade Real de Edimburgo.

Essas idias no eram totalmente novas, pois Descartes tinha definido tais curvas antes, masera um trabalho notvel para um garoto de 14 anos.

Aos 16 anos, Maxwell cursou o segundo ano, estudando Matemtica, Fsica e Lgica.

Durante esse perodo ele escreveu dois importantes trabalhos sobre a teoria de curvas e

o equilbrio de slidos elsticos. Em 1850, Maxwell foi para a Universidade de Cambridge

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e revelou-se um estudante excepcional, formando-se em Matemtica, em 1854. Uma das

realizaes importantes de Maxwell (Figura 12) foi a extenso da formulao matemtica

das teorias de Faraday. Ele apresentou um trabalho sobre as linhas de fora na Sociedade

Filosfica de Cambridge, em 1855 e 1856. Maxwell mostrou que equaes matemticas

relativamente simples podiam explicar o comportamento de campos eltricos e magnticose a inter-relao entre eles.

Em 1857, ele ganhou o importante prmio Adams da Universidade de Cambridge com

o trabalho O movimento dos anis de saturno. Maxwell se casou com Katherine Dewar, em

1859, enquanto sua carreira cientfica prosseguia com grande sucesso. Em 1860, Maxwell

foi designado para o posto de professor de Filosofia Natural em Londres. Os seis anos

que Maxwell passou nesse posto foram os anos em que ele fez seus mais importantes

trabalhos experimentais.

Enquanto trabalhava em Londres, por volta de 1862, Maxwell calculou que a velocidadede propagao de um campo eletromagntico aproximadamente igual velocidade da luz.

Ele imediatamente props que a luz seria um fenmeno eletromagntico e escreveu: a luzconsiste em ondulaes transversais do mesmo meio que causa os fenmenos eltricos e

magnticos. Como veremos na aula 12, isso totalmente verdadeiro. Seu trabalho de 1864,intitulado Uma teoria dinmica do campo eletromagntico, uma sntese dos trabalhos de

Ampre e Faraday. Maxwell tambm desenvolveu, em 1866, uma formulao estatstica da

teoria cintica de gases. Em 1865, ele deixou Londres, voltou para a Esccia e depois aceitouuma oferta da Universidade de Cambridge para ocupar um posto de professor no famoso

Laboratrio Cavendish, em 1871.

As quatro equaes diferenciais parciais, agora conhecidas como as equaes de

Maxwell (veja aula 12), apareceram no trabalho Tratado sobre eletricidade e magnetismode 1873. Elas so consideradas uma das maiores realizaes cientficas do Sculo XIX. Nocomeo de 1879, sua sade estava muito comprometida, mas ele continuou dando suas

aulas. Apesar de muito debilitado, Maxwell permaneceu sempre bem disposto e amvel. Elefaleceu em outubro de 1879.

Figura 12 James Clerk Maxwell

Fonte:.Acesso

em:20jan.

2009.

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Grandes invenes e realizaesdo final do Sculo XIX

O telgrafo MorseComo vimos anteriormente, Alessandro Volta inventou a bateria eltrica em 1800. O

eletrom foi inventado pelo cientista ingls William Sturgeon, em 1823 e aperfeioado a partirde 1827 pelo americano Joseph Henry. Assim, no incio do Sculo XIX, os principais ingredientesnecessrios para se construir um sistema de comunicao eltrico tinham sido descobertos.

O sistema Morse de telegrafia foi inventado pelo americano Samuel Morse (1791

1872) na dcada de 1840. Em uma exibio em Nova Iorque, Morse demonstrou seu invento

(Figura 14) enviando uma mensagem de dez palavras num minuto atravs da sua mquinade telgrafo. Ele usou um sistema de pontos e traos que depois se tornou um padro em

todo o mundo e que conhecido como cdigo Morse. O cdigo Morse essencialmente ummodo simples para representar as letras do alfabeto e usa padres de pulsos longos e curtos.Esses pulsos so transformados em sinais eltricos por um operador e os sinais eltricos

so traduzidos de volta nos caracteres alfabticos por um outro operador no instrumento

receptor. A telegrafia Morse logo se tornou o mtodo padro de comunicao eltrica nos

Estados Unidos e na Europa. Entre suas aplicaes estavam o servio de telegrama comerciale a comunicao das vias frreas.

Figura 14 O telgrafo de Morse

Fonte:.Acesso

em:20jan.

2009.

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Thomas EdisonThomas Alva Edison, Figura 15(a), nasceu em 1847 em Ohio, Estados Unidos. Ele s

comeou a falar aos 4 anos e estava sempre perguntando aos adultos sobre o mundo em

sua volta. Na escola, seu professor no acompanhava sua sede de conhecimento e sua me

comeou a educ-lo em casa quando ele tinha 7anos. Aos 12 anos, seus pais o apresentaram a

biblioteca local, o que o fez tomar gosto por procurar aprender por si s. Edison se apaixonoupela cincia, especialmente pela Fsica. Lendo o Principiade Newton, Edison demonstrou umacuriosidade to grande que seus pais decidiram contratar um tutor.

Aos 14 anos, vendendo balas e doces, Edison juntou bastante dinheiro para montar umpequeno laboratrio de Qumica no poro de casa. Nessa poca, um incidente causou danosa sua audio e ele ficou totalmente surdo do ouvido esquerdo e com apenas 20% da audiodo ouvido direito. Quando tinha 15 anos, Edison aprendeu a usar o cdigo Morse e o telgrafo.Isso lhe deu a oportunidade de experimentar com o telgrafo e fazer melhorias na velocidadede envio e recepo das mensagens.

Em 1868, foi trabalhar como operador de telgrafo para a Western Union em Boston.

Iniciou ento um perodo de trabalho intenso em algumas invenes. Sua primeira inveno foiuma mquina de votao eltrica que no conseguiu comercializar. Ele decidiu ento estudarpara aprender mais sobre os avanos da eletricidade, de modo a tornar suas invenes maiscomerciais. Posteriormente, Edison se mudou para Nova Iorque, onde achou mercado para

suas invenes e conseguiu ganhar suficiente para abrir um laboratrio em Newark, Nova

Jersey. Em 1876, ele mudou para Menlo Park, que durante quase seis anos se tornou um doslaboratrios mais famosos da poca, onde ele desenvolveu suas mais importantes invenes.

Ele ficou particularmente conhecido pela sua luta incansvel para achar o filamento certopara a primeira lmpada incandescente. Recebeu o apelido de O mago de Menlo Park. Famosopor ser um trabalhador obstinado, no dormia mais que quatro horas por noite e dele a

famosa frase: gnio um por cento de inspirao e noventa e nove por cento de transpirao.Thomas Edison foi o grande gnio inventor do que podemos chamar a era da eletricidade. Suascentenas de invenes fizeram dele uma grande personalidade mundial na virada do Sculo

XX. Entre suas invenes mais famosas esto a primeira lmpada incandescente, o gerador

eltrico e o fongrafo. Ele ajudou tambm a refinar e desenvolver o telgrafo, a mquina

cinematogrfica e a mquina de escrever.

Ele inventou um sistema de telgrafo automtico que tornou possvel uma maior velocidadee alcance na transmisso. Seu maior feito na telegrafia foi a inveno de mquinas que tornarampossvel a transmisso simultnea de vrias mensagens em apenas uma linha aumentando

assim significativamente a utilidade das linhas de telgrafo existentes. Em 1877, Edison

anunciou a inveno do fongrafo. Esse dispositivo era capaz de registrar mecanicamente o

som em um cilindro metlico. Posteriormente, ele desenvolveu um fongrafo, no qual o somera gravado em um disco em vez de um cilindro. Esse fongrafo tinha uma agulha de diamantee vrias outras melhorias.

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a b

Em 1879, ele exibiu a lmpada eltrica incandescente, sua inveno mais importante e

que seria um sucesso notvel. Edison se dedicou melhoria dos dnamos por gerar a correnteeltrica necessria e, em 1882, desenvolveu e instalou em Nova Iorque a primeira central

eltrica do mundo. Teve incio ento um grande debate sobre que tipo de corrente usar (a

famosa batalha das correntes). Edison defendia o uso de corrente contnua enquanto NikolaTesla advogava a corrente alternada, cuja transmisso era muito mais eficiente. Edison perdeu

a batalha para Tesla e George Westinghouse.

Apesar de no ter conseguido ganhar a corrida contra Graham Bell na inveno do

telefone, ele introduziu vrias melhorias. Suas pesquisas contriburam tambm para a criaodo cinema falado. Edison ajudou a desenvolver todo um sistema de distribuio de eletricidadee iluminao eltrica. Ele criou a Edison General Electric Company que depois se fundiu comoutra companhia e formou, em 1892, a General Electric Corporation. Ao longo da sua vida, eleobteve 1093 patentes para suas invenes, sendo a ltima delas aos 83 anos. Edison morreuem outubro de 1931.

Figura 15 (a) Thomas Alva Edison; (b) a lmpada eltrica

Fonte:(a).(b)

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Acessoem:20jan.

2009.

Guglielmo MarconiGuglielmo Marconi (Figura 16) nasceu em Bolonha, Itlia, em 1874. Ele foi educado

em Bolonha, Florena e Leghorn. J menino, ele se interessou pelas cincias fsica e eltrica

e estudou os trabalhos de Maxwell e Hertz. Em 1895, comeou a fazer experincias tendoconseguido enviar sinais sem fios a uma distncia de 2.400 m. Em 1896, levou seu equipamentopara a Inglaterra e naquele mesmo ano lhe foi concedida a primeira patente do mundo para

um sistema de telegrafia sem fios. Ele demonstrou o sistema em Londres e outros locais, e,em 1897, fundou a sua Companhia de Telgrafo sem Fios Ltda.

No mesmo ano, ele fez uma demonstrao para o governo italiano, onde foram enviadossinais sem fios a uma distncia de 19 km. Em 1899, ele estabeleceu comunicao sem fiosentre a Frana e a Inglaterra, e ergueu estaes de telegrafia sem fios permanentes em vrios

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locais. Em um dia histrico, em 1901, ele usou seu sistema para transmitir os primeiros sinaissem fios atravs do Atlntico, uma distncia de mais de 3.300 km. Entre 1902 e 1912, ele

patenteou vrias novas invenes. Em 1902, patenteou o detector magntico, que se tornouo receptor sem fios padro por muitos anos. Transmitiu as primeiras mensagens completaspara a Inglaterra a partir de estaes em Massachusetts (Estados Unidos), em 1902 e em

1907, inaugurou o primeiro servio comercial transatlntico entre os Estados Unidos e a

Irlanda. Em 1905, ele patenteou a antena direcional horizontal e em 1912, um sistema paragerar ondas contnuas.

Em 1931, Marconi comeou a pesquisar as caractersticas de propagao de ondas curtas,o que resultou na abertura, em 1932, do primeiro ra diotelefone de micro-ondas do mundo,

unindo a Cidade Vaticano e a residncia de vero do Papa. Em Nova Iorque, em 1922, ele deuuma conferncia sobre os princpios do radar e em 1935, fez uma demonstrao prtica do

uso de micro-ondas. Em 1909, Marconi ganhou o Prmio Nobel de Fsica, vindo a falecer emRoma, em 1937.

Figura 16 Guglielmo Marconi

Fonte

:.

Acessoem:20jan.

2009.

Nikola TeslaNikola Tesla (Figura 17) nasceu em 1856 na Crocia. Estudou no Instituto Politcnico

em Graz (ustria) e na Universidade de Praga. Desde cedo, ficou fascinado pela eletricidade.Ele comeou a carreira como engenheiro eltrico em 1881. Diz-se que enquanto caminhava

pelo parque da cidade, que ele teve a ideia do princpio do motor de induo. Em 1883, ele

construiu um prottipo do motor de induo. No tendo encontrado interesse na Europa

pelo seu dispositivo radical, Tesla aceitou uma oferta para trabalhar para Thomas Edison

em Nova Iorque.

Tesla chegou aos Estados Unidos em 1884 e logo se concentrou em melhorar o sistemade dnamos de Edison. Teve incio uma grande divergncia de opinio com Edison sobre o

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Alexander Graham BellAlexander Graham Bell (Figura 18) nasceu em 1847, em Edimburgo (Esccia). Seu av e

seu pai trabalhavam com portadores de deficincia auditiva e sua me era surda. Bell cresceunum ambiente propcio ao estudo da voz e dos sons. Estudou na Universidade de Edimburgo,onde comeou a fazer experimentos sobre a pronncia das palavras. Ele ficou sabendo da obra

do cientista alemo Hermann von Helmholtz e comeou a pensar sobre formas de enviar a voza distncia por meios eltricos. Em 1870, a famlia se mudou para o Canad e em 1871, Bellfoi trabalhar em Boston (Estados Unidos) no treinamento de professores de uma escola de

surdos. Em 1872, abriu sua prpria escola para surdos e no ano seguinte tornou-se professorda Universidade de Boston.

Bell teve oportunidade de ver a inveno do alemo Philip Reis, que havia construdo

um aparelho capaz de transmitir sons. Bell achou que a eletricidade poderia aperfeio-lo e

teve a ideia de construir um aparelho capaz de transmitir notas musicais a distncia usando

eletricidade. Durante os anos de 1873 e 1874, fez vrios experimentos e construiu um aparelho

capaz de transmitir notas musicais a distncia usando eletricidade. Ele viu que poderia usar oinstrumento para transmitir a voz humana.

Em 10 de maro de 1876, Bell experimentava um modelo de telefone no sto. Seu

assistente, Watson, encontrava-se em outro aposento onde se encontrava um outro aparelhoconectado ao de Bell. Ele gritou: Sr. Watson, venha c, preciso do senhor. Watson ouviu

a mensagem pelo telefone, e foi at ele. Bell estava com 29 anos e tinha, depois de vrias

tentativas, acabado de inventar o telefone. Bell partiu para uma viagem Europa, e na Inglaterraapresentou o aparelho rainha Vitria. Instalou um aparelho na Cmara dos Comuns. A ideiacomeou a interessar outros inventores e logo o telefone sofreu notveis melhoramentos e

difundiu-se com rapidez. Alexander Graham Bell morreu no Canad em 1922, aos 75 anos,

tendo dado ao mundo um dos mais eficientes meios de comunicao.

Figura 18 Alexander Graham Bell

Fonte:.

Acessoem:20jan.

2009

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A mquina de WimshurstEntre 1880 e 1883, o inventor ingls James Wimshurst (1832 1903) desenvolveu

uma mquina eletrosttica que gerava uma alta voltagem. Ela era constituda de dois discos

que giravam em sentidos contrrios (Figura 19). A gerao de eletricidade feita atravs de

induo no havendo necessidade de atrito entre as partes. As mquinas existentes na poca

apresentavam muitos problemas de reverso de polaridade e requeriam um alto isolamento

eltrico para operar eficientemente. A inveno de Wimshurst era bastante estvel. Ela teve,

porm, um uso limitado, pois nesse perodo aplicaes prticas da eletricidade tais como

iluminao eltrica, motores eltricos e telegrafia exigiam outro tipo de gerador eltrico. Quandoda descoberta dos raios X em 1895, renovou-se o interesse pelas fontes de alta tenso para

acionar os chamados tubos de Crookes.

Figura 19 Mquina de Wimshurst

Fonte:

.

Acessoem:20jan.

2009.

O sculo XX

No Sculo XX tem incio uma nova era. As descobertas, invenes e pesquisas que

descrevemos anteriormente foram aperfeioadas e houve um enorme avano

tecnolgico e cientfico. As novas teorias da Fsica moderna contriburam para

a descoberta de novos materiais, fenmenos e processos at ento inimaginveis. Como

conseqncia, a humanidade passou a viver sucessivamente a era da eletrnica, da

microeletrnica e da nanotecnologia. As conquistas do homem nesses ltimos cem anos soincontveis e impossvel de serem descritas em to pouco espao. Contudo, esperamos que,com a leitura desta aula, voc tenha alcanado uma melhor percepo de como atingimos o

alto grau de conhecimento que temos hoje sobre os fenmenos eletromagnticos.

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Resumo

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Nesta aula, apreciamos o que so e como se originam os fenmenos eltricose magnticos. Falamos da sua importncia para a civilizao contempornea.

Acompanhamos as descobertas, invenes e avanos da humanidade na buscade uma compreenso do eletromagnetismo e como podemos fazer uso delepara o nosso bem-estar. Seguimos tambm a trajetria dos grandes cientistasque dedicaram suas vidas para que alcanssemos o nvel de conhecimentoque temos hoje nesta rea da cincia.

Autoavaliao

Escreva um breve texto sobre a importncia da eletricidade no seu dia-a-dia.

Quais os conhecimentos que o homem tinha sobre os fenmenos eltricos e

magnticos antes da Renascena?

Quais os principais avanos no conhecimento da eletricidade e do magnetismo

ocorridos at o final do Sculo XVIII?

Que descobertas permitiram a unificao dos fenmenos eltricos e magnticos e

quais os cientistas responsveis por esses avanos?

Qual a relao entre os trabalhos de Ampre, Faraday e Maxwell?

Descreva algumas das descobertas ocorridas a partir do final do Sculo XIX.

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Anotaes

Referncias

COMO descobrimos a eletricidade. Disponvel em: .Acesso em: 20 jan. 2009.

ELETRICIDADE. Disponvel em: .Acesso em: 20 jan. 2009.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de fsica. 10. ed. So Paulo: JohnWiley & Sons, 2001. (Eletromagnetismo, 3).

MUNDO DA CINCIA. Histria da eletricidade. Disponvel em: . Acesso em: 20 jan. 2009.

PERSONAGENS da histria. Disponvel em: . Acesso em: 23 jan. 2009.

PORTAL SO FRANCISCO. Histria da eletricidade. Disponvel em: .Acesso em: 20 jan. 2009.

SERWAY, Raymond A.; JEWET JNIOR, John W. Princpios de fsica. So Paulo: CengageLearning, 2008. (Eletromagnetismo, 3).

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1Semestrede2009

Impressopor:GrficaTexform

EMENTA

> Joel Cmara de Carvalho Filho

> Ranilson Carneiro Filho

Eletromagnetismo FSICA

AUTORES

AULAS

01 O eletromagnetismo

02 Eletrosttica

03 O campo eltrico

04 A lei de Gauss

05 O potencial eltrico Parte 1

06 O potencial eltrico Parte 2

07 Capacitncia

08 Corrente e Resistncia Eltricas

09 Circuitos de corrente contnua10 O campo magntico

11 A lei de Ampre

12 A lei de Faraday e as equaes de Maxwell

13 Aplicaes do eletromagnetismo


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aulas de ondas, otica e eletromagnetismo.pdf

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