Quais são as 3 semelhanças entre ímãs e eletricidade?

As forças elétricas e magnéticas são duas forças encontradas na natureza. Embora à primeira vista possam parecer diferentes, ambos se originam de campos associados a partículas carregadas. As duas forças têm três semelhanças principais e você deve aprender mais sobre como esses fenômenos surgem.

As taxas vêm em variedades positivas (+) e negativas (-). O portador de carga positiva fundamental é o próton e o portador de carga negativa é o elétron. Ambos têm carga de magnitude e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Os opostos se atraem e os gostos se repelem; duas cargas positivas colocadas perto uma da outrarepelir, ou sentir uma força que os separa. O mesmo é verdade para duas cargas negativas. Uma carga positiva e uma negativa, no entanto,atraiuns aos outros.

A atração entre cargas positivas e negativas é o que tende a tornar a maioria dos itens eletricamente neutros. Como há o mesmo número de cargas positivas e negativas no universo, e as forças atrativas e repulsivas agem da maneira que agem, as cargas tendem aneutralizar, ou anulam-se mutuamente.

Os ímãs, da mesma forma, têm pólos norte e sul. Dois pólos norte magnéticos se repelirão, assim como dois pólos sul magnéticos, mas um pólo norte e um pólo sul se atrairão.

Observe que outro fenômeno com o qual você provavelmente está familiarizado, a gravidade, não é assim. A gravidade é uma força atrativa entre duas massas. Existe apenas um “tipo” de massa. Não vem em variedades positivas e negativas como eletricidade e magnetismo. E esse tipo de massa é sempre atraente e não repulsivo.

Há uma diferença distinta entre ímãs e cargas, no entanto, em que os ímãs sempre aparecem como um dipolo. Ou seja, qualquer ímã dado sempre terá um pólo norte e um pólo sul. Os dois pólos não podem ser separados.

Um dipolo elétrico também pode ser criado colocando uma carga positiva e negativa a uma pequena distância uma da outra, mas é sempre possível separar essas cargas novamente. Se você imaginar um ímã em barra com seus pólos norte e sul, e tentar cortá-lo ao meio para fazer um separar norte e sul, em vez disso, o resultado seria dois ímãs menores, ambos com seus próprios norte e sul pólos.

Se compararmos a eletricidade e o magnetismo com outras forças, vemos algumas diferenças distintas. As quatro forças fundamentais do universo são as forças forte, eletromagnética, fraca e gravitacional. (Observe que as forças elétricas e magnéticas são descritas pela mesma palavra - mais sobre isso em breve.)

Se considerarmos que a força forte - a força que mantém os núcleos juntos dentro de um átomo - tem uma magnitude de 1, então a eletricidade e o magnetismo têm uma magnitude relativa de 1/137. A força fraca - que é responsável pelo decaimento beta - tem uma magnitude relativa de 10^-6, e a força gravitacional tem uma magnitude relativa de 6 × 10^-39.

Você leu certo. Não foi um erro de digitação. A força gravitacional é extremamente fraca em comparação com tudo o mais. Isso pode parecer contra-intuitivo - afinal, a gravidade é a força que mantém os planetas em movimento e mantém nossos pés no chão! Mas considere o que acontece quando você pega um clipe de papel com um ímã ou um lenço de papel com eletricidade estática.

A força que puxa para cima um pequeno ímã ou item com carga estática pode neutralizar a força gravitacional de toda a Terra puxando o clipe de papel ou tecido! Achamos que a gravidade é muito mais poderosa não porque é, mas porque temos a força gravitacional de um globo inteiro agindo sobre nós em todos os momentos, ao passo que, devido à sua natureza binária, cargas e ímãs muitas vezes se organizam de modo que sejam neutralizado.

Se olharmos mais de perto e realmente compararmos eletricidade e magnetismo, veremos que em um nível fundamental eles são dois aspectos do mesmo fenômeno chamadoeletromagnetismo. Antes de descrevermos totalmente esse fenômeno, vamos obter uma compreensão mais profunda dos conceitos envolvidos.

O que é um campo? Às vezes, é útil pensar em algo que parece mais familiar. A gravidade, como a eletricidade e o magnetismo, também é uma força que cria um campo. Imagine a região do espaço ao redor da Terra.

Qualquer massa no espaço sentirá uma força que depende da magnitude de sua massa e de sua distância da Terra. Então, imaginamos que o espaço ao redor da Terra contém umcampo, ou seja, um valor atribuído a cada ponto no espaço que dá alguma indicação de quão relativamente grande e em que direção seria uma força correspondente. A magnitude do campo gravitacional a uma distânciarda missaM, por exemplo, é dado pela fórmula:

OndeGé a constante gravitacional universal 6,67408 × 10^-11 m³/(kgs²). A direção associada a este campo em qualquer ponto dado seria um vetor unitário apontando para o centro da Terra.

Os campos elétricos funcionam da mesma maneira. A magnitude do campo elétrico a uma distânciarde carga pontualqé dado pela fórmula:

Ondeké a constante de Coulomb 8,99 × 10⁹ Nm²/ C². A direção deste campo em qualquer ponto é em direção à cargaqE seqé negativo e sem cargaqE seqé positivo.

Observe que esses campos obedecem a uma lei do inverso do quadrado, portanto, se você se mover duas vezes mais longe, o campo se tornará um quarto mais forte. Para encontrar o campo elétrico gerado por várias cargas pontuais, ou uma distribuição contínua de carga, simplesmente encontraríamos a superposição ou realizaríamos uma integração da distribuição.

Os campos magnéticos são um pouco mais complicados porque os ímãs sempre vêm como dipolos. A magnitude do campo magnético é frequentemente representada pela letraB, e a fórmula exata para isso depende da situação.

A relação entre eletricidade e magnetismo não era aparente para os cientistas até vários séculos após as descobertas iniciais de cada um. Alguns experimentos importantes que exploram a interação entre os dois fenômenos eventualmente levaram ao entendimento que temos hoje.

No início do século 19, os cientistas descobriram pela primeira vez que uma agulha de bússola magnética podia ser desviada quando mantida perto de um fio condutor de corrente. Acontece que um fio condutor de corrente cria um campo magnético. Este campo magnético a distânciarde um fio infinitamente longo transportando correnteeué dado pela fórmula:

Ondeμ​₀ é a permeabilidade ao vácuo 4π​ × 10^-7 N / D². A direção deste campo é dada peloregra da mão direita- aponte o polegar de sua mão direita na direção da corrente e, em seguida, seus dedos envolvam o fio em um círculo indicando a direção do campo magnético.

Essa descoberta levou à criação de eletroímãs. Imagine pegar um fio condutor de corrente e enrolá-lo em uma bobina. A direção do campo magnético resultante será semelhante ao campo dipolo de uma barra magnética!

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O magnetismo em uma barra magnética é gerado pelo movimento dos elétrons nos átomos que o compõem. A carga móvel em cada átomo cria um pequeno campo magnético. Na maioria dos materiais, esses campos são orientados em todas as direções, resultando em nenhum magnetismo líquido significativo. Mas em certos materiais, como o ferro, a composição do material permite que todos esses campos fiquem alinhados.

Portanto, o magnetismo é realmente uma manifestação da eletricidade!

Acontece que não apenas o magnetismo resulta da eletricidade, mas a eletricidade pode ser gerada a partir do magnetismo. Esta descoberta foi feita por Michael Faraday. Logo após a descoberta de que eletricidade e magnetismo estavam relacionados, Faraday encontrou uma maneira de gerar corrente em uma bobina de fio variando o campo magnético que passa pelo centro da bobina.

​Lei de Faradayafirma que a corrente induzida em uma bobina fluirá em uma direção que se opõe à mudança que a causou. O que se quer dizer com isso é que a corrente induzida fluirá em uma direção que gera um campo magnético que se opõe ao campo magnético mutável que o causou. Em essência, a corrente induzida está simplesmente tentando neutralizar quaisquer mudanças de campo.

Portanto, se o campo magnético externo está apontando para a bobina e aumenta em magnitude, a corrente fluxo em tal direção para criar um campo magnético apontando para fora do circuito, a fim de neutralizar isso mudança. Se o campo magnético externo estiver apontando para a bobina e diminuir em magnitude, a corrente irá fluir em tal direção para criar um campo magnético que também aponta para a bobina, a fim de neutralizar a mudança.

A descoberta de Faraday levou à tecnologia por trás dos geradores de energia de hoje. Para gerar eletricidade, deve haver uma maneira de variar o campo magnético que passa por uma bobina de fio. Você pode imaginar girar uma bobina de fio na presença de um forte campo magnético para efetuar essa mudança. Isso geralmente é feito por meios mecânicos, como uma turbina sendo movida pelo vento ou água corrente.

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As semelhanças entre a força magnética e a força elétrica são muitas. Ambas as forças agem sobre cargas e têm suas origens no mesmo fenômeno. Ambas as forças têm forças comparáveis, conforme descrito acima.

Força elétrica em cargaqdevido ao campoEÉ dado por:

A força magnética na cargaqmovendo-se com velocidadevdevido ao campoBé dado pela lei da força de Lorentz:

Outra formulação dessa relação é:

Ondeeué o atual eeuo comprimento do fio ou caminho condutor no campo.

Além das muitas semelhanças entre a força magnética e a força elétrica, também existem algumas diferenças distintas. Observe que a força magnética não afetará uma carga estacionária (se v = 0, então F = 0) ou uma carga se movendo paralelamente à direção do campo (o que resulta em um produto vetorial 0) e, de fato, o grau em que a força magnética atua varia com o ângulo entre a velocidade e o campo.

James Clerk Maxwell derivou um conjunto de quatro equações que resumem matematicamente a relação entre eletricidade e magnetismo. Essas equações são as seguintes:

Todos os fenômenos discutidos anteriormente podem ser descritos com essas quatro equações. Mas ainda mais interessante é que, após sua derivação, foi encontrada uma solução para essas equações que não parecia consistente com o que era conhecido anteriormente. Esta solução descreveu uma onda eletromagnética autopropagada. Mas quando a velocidade desta onda foi derivada, determinou-se que era:

Esta é a velocidade da luz!

Qual é o significado disso? Bem, acontece que a luz, um fenômeno do qual os cientistas vêm explorando as propriedades há algum tempo, era na verdade um fenômeno eletromagnético. É por isso que hoje você o vê referido comoradiação eletromagnética​.

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