História e epistemologia da Física/Eletromagnetismo

Antecedentes

Egípcios: teriam algum entendimento dos fenômenos elétricos observando relâmpagos e interagindo com peixes elétricos?

lâmpada de Dendera

Na Antiguidade, os indianos já sabiam que certos cristais, quando aquecidos, atraíam cinzas, atribuindo ao fenômeno causas sobrenaturais

há bactérias que fabricam cristais de magnetita (Fe3O4) ou greigita (Fe3S4), materiais com propriedades magnéticas, e orientam seus movimentos pelo campo magnético terrestre

China, séc. 4 a.C., Livro do Mestre do Vale do Demônio: “A magnetita atrai o ferro”

Tales (c. 600 a.C.) teria sido o primeiro a estudar a eletricidade e o magnetismo procurava descrever o efeito eletrostático do âmbar (ἤλεκτρον - eléktron):

• ao se esfregar âmbar com pele de carneiro, observou que penas eram atraídas

Os fenômenos permaneceram através dos tempos apenas como curiosidade.

Lendas

haveria uma montanha magnética no pólo, onde os navios jamais chegariam porque a força de atração removeria todos os pregos do navio

o magnetismo poderia ser destruído pelo contato com o alho

os ímãs podiam ser usados para denunciar esposas infiéis

haveriam rochas que atrairiam carne, madeira ou ouro

Magnes teria tido os pregos de sua sandália atraídos pela pedra enquanto pastoreava no monte Ida (Creta) magnetita: por ter vindo da região conhecida como Magnésia, na Tessália (Grécia) (terra de Jasão, Aquiles e ... Vangelis)

Bússola

‘sapos’, ‘peixes’, ‘tartarugas’, colheres e agulhas eram usados na Geomancia e no Feng Shui como indicadores de direção

“Quando o povo de Cheng sai em busca de jade, eles carregam um ‘apontador para o sul’ com eles para não se perderem”

2634 a.C.: imperador Huang Ti inventa um carro para guiar suas tropas

séc. 12: chineses já usavam a bússola de magnetita para navegação

Shen Kuo (1031-1095) escreveu sobre a bússola de agulha magnética e maior acurácia da navegação empregando o conceito astronômico de Norte Verdadeiro

depois de Shen Kuo, Alexander Neckham foi o primeiro na Europa a descrever (1187) a bússola e seu uso na navegação

Gerolamo Cardano (Pavia, 1501 – Roma, 1576 )

Dados Biográficos

(Jerôme Cardan, Hieronymus Cardanus, Dzhirolamo Kardano, etc.)

iniciou a teoria das equações algébricas

primeiro a descrever clinicamente a febre tifóide

publicou (apropriou-se de) o método de Scipione del Ferro e Tartaglia p/ resolver a equação cúbica

1550: discutiu em seu livro De Subtilitate as diferenças entre forças elétricas e forças magnéticas.

Dados Biográficos

médico inglês e Elizabeth I e James I e filósofo natural

pesquisou eletricidade e magnetismo

cunhou o termo ‘eletricidade’

Contribuições

1600: De Magnete

experiências c/ modelo terrela (esfera magnetizada)

Terra era um magneto Þ atraía bússolas

antes acreditava-se que era devido à estrela Polar ou a uma grande ilha magnética no pólo Norte

estudou eletricidade estática com âmbar (elektron) atritado Þ ‘força elétrica’

acreditava que eletricidade e magnetismo eram coisas diferentes, principalmente porque a eletricidade desaparecia com o aquecimento e o magnetismo não (errado!) (vide ponto de Curie)

acreditava que o magnetismo era a força que Kepler e outros tinham observado governando os movimentos dos astros

apontou que o movimento das estrelas se devia à rotação da Terra e não às ‘esferas celestes’ 20 anos antes de Galileu

Otto von Guericke (Magdeburg, 1602 - Hamburgo, 1686)

Dados Biográficos

prefeito da cidade de Magdeburgo,

conhecido pela demonstração de 1654

16 cavalos não separam os hemisférios unidos apenas pela pressão atmosférica

Contribuições

1660: Elektrisiermaschine: a primeira máquina eletrostática

tocou a esfera de enxofre girada em alta velocidade com uma luva girada, eletrizando-a

observou atração, repulsão, centelhas e ruído de descarga

conclui que a eletricidade podia passar de um corpo para o outro

demonstrou que atrações elétricas e magnéticas propagavam-se no vácuo

Charles François de Cisternay du Fay (Paris, 1698-1739 ) du Fay

1733: dois tipos de “fluido” elétrico: “vítreo” (positivo) e “resinoso“ (negativo) (depois contestado por Franklin)

identificou a diferença entre isolantes e condutores (contrariando Stephen Gray, que acreditava que as propriedades elétricas dos corpos dependiam das suas cores)

Benjamin Franklin (Boston, 1706 -Filadélfia, 1790)

Dados Biográficos

foi tipógrafo, jornalista, editor, autor de auto-ajuda, filantropo, ao mesmo tempo calvinista e iluminista, abolicionista, diplomata, um dos líderes da Revolução Americana, primeiro ministro dos correios, metereologista, inventor e cientista. Sua fama no campo científico lograram-lhe resultados positivos no campo diplomático.

Contribuições

Propôs a famosa experiência ,só há um “tipo” de eletricidade em quantidades diferentes: positiva e negativa.

Propôs o Princípio de Conservação da Carga Elétrica.

Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806)

Dados Biográficos

físico e engenheiro militar francês

trabalhou na reconstrução do Forte Bourbon (Martinica), onde estudou a resistência dos muros de sustentação inspirado pelas idéias sobre a fricção de Pieter van Musschenbroek

participou da definição de padrões de pesos e medidas do governo revolucionário francês (1788)

Contribuições

publicou trabalhos sobre o atrito e sobre a viscosidade

descobriu a relação inversa entre a força entre cargas elétricas e o quadrado da sua separação, conhecida como Lei de Coulomb

Força elétrica

Lei de Coulomb

forma semelhante à da força gravitacional

Michael Faraday (1791–1867)

É um caso raro entre os grandes nomes da ciência. Nasce em Newington, Inglaterra. Começa a trabalhar aos 14 anos como aprendiz de encadernador. Aproxima-se das ciências como autodidata e depois torna-se assistente do químico Humphy Davy. Apesar de poucos conhecimentos teóricos, o espírito de experimentação de Faraday o leva a importantes descobertas para a química e Física. Consegue liquefazer praticamente todos os gases conhecidos. Isola o benzeno. Elabora a teoria da eletrólise, a indução eletromagnética e esclarece a noção de energia eletrostática.

Dados Biográficos

químico e físico inglês

era um devoto cristão da igreja Sandemaniana

foi aprendiz de tipografia, onde leu muitos livros, especialmente sobre eletricidade

descobriu o benzeno e três cloretos de carbono

inventou o predecessor do bico de Bunsen

inventou o número de oxidação

liquefez vários gases

aos vinte anos, assistiu a palestras de Humphry Davy.

enviou suas notas das palestras, encadernadas Þ Davy o contratou como assistente porque ficou quase cego num acidente de laboratório

viajou como assistente e criado com Davy: quase desistiu de tudo mas teve contato com um mundo de informações científicas

foi admitido na Royal Society em 1824

rejeitou um título de nobreza e a Presidência da Royal Society

instituiu as palestras de natal enquanto diretor da Royal Institution

apesar da pouca instrução, é considerado o melhor experimentalista da história

Contribuições

contribui com as leis da eletrólise

popularizou os termos eletrodo, cátodo, ânodo e íon

precisou o conceito de quantidade de eletricidade

descobriu

• a indução eletromagnética,
• o diamagnetismo e
• a eletrólise

concebeu as linhas de campo

inventou o primeiro motor elétrico e o dínamo

estabeleceu que o magnetismo pode afetar a propagação dos raios de luz

Campo elétrico

campo: função definida no espaço

região do espaço onde se sente uma influência detectável com uma carga de prova

Linhas de força

linhas de força: tangentes ao campo em cada ponto

superfícies equipotenciais: onde o campo tem o mesmo valor em módulo

ortogonais às linhas de força

Gaiola de Faraday

Consiste numa blindagem elétrica que é conseguida ao criarmos uma superfície oca feita com uma rede ou malha metálica, isolada da terra. No Se a rede ou malha metálica for relativamente fina, as cargas poderão se espalhar uniformemente na superfície externa da gaiola. Esta estrutura previne que sinais elétricos muito fortes, por exemplo, provenientes de um relâmpago criem campos elétricos muito intensos dentro da gaiola. Isto é conseguido pelo fato que de o campo elétrico externo induzir a mobilidade de cargas na superfície da gaiola cujo campo elétrico vai cancelar o campo elétrico externo no interior da superfícieda gaiola. Este fenomeno elétrico ocorre naturalmente e está previsto pela Lei de Gauss ""O fluxo elétrico líquido, através de qualquer Superfície Gaussiana fechada, é igual à carga líquida no interior da superfície, dividida por ε0 (permeabilidade elétrica do vácuo) ." Deste modo uma pessoa dentro da gaiola não sofre qualquer choque elétrico ao tocar a superfície interna quando esta é atingida por uma descarga eléctrica proveniente de um raio.É precisamente este princípio que faz com que os viajantes de um automóvel ou de um avião permaneçam em segurança em condições adversas de tempestades elétricas e também bloqueia o recebimento de ondas eletromagnéticas como ondas de rádio e telefonia móvel.

Johann Carl Friedrich Gauß (1777-1855)

Dados Biográficos

Matemático e cientista alemão,gênio profundo que contribuiu significativamente em muitas àreas, including a teoria dos números, análises, geometria, equações diferenciais, magnetismo, astronomia, e sistema ótico.

Teve uma influência notável em muitos campos da matemática e da ciência

Também é conhecido como príncipe dos matemáticos o mais grande desde a antiguidade

Contribuições

deu à eletricidade e ao magnetismo o seu primeiro sistema de unidades

autor do famoso teorema

Unidades

• Corrente: Ampére
• Q: C º As
• E: N/C
• B: Tesla º NA-1m-1
• V: Volt º Nm/C
• R: Ohm º NA-1m/C
• m0/4p=10-7NA-2
• e0=1/c m0
• =8,85´10-12C2N-1m-2

Lei de Gauss

o fluxo total do campo elétrico através de qualquer superfície fechada é dado pela carga contida no seu interior

Campo de distribuição esférica

distribuição esfericamente simétrica.

no exterior, campo igual ao de uma carga puntual situada na origem.

no interior, só a carga interior é relevante.

Corrente elétrica

num condutor são os elétrons livres que transportam a corrente

sentido convencional da corrente oposto ao movimento dos elétrons

vetor densidade de corrente

Garrafa de Leyden

Von Kleist e Van Musscchenbroek independentemente em 1746 desenvolvem a garrafa de Leyden (primeiro capacitor), melhor do que as peles de gato para experiências elétricas

É composta por uma haste metálica, no gargalo possui uma rolha com lacre e no seu interior é composto por cobre com folhas de estanho

‘Bateria’ de Bagdá

Quando em 1936, escavavam as ruínas de uma vila, Khujut Rabu, de mais de 2000 anos de antigüidade, perto de Bagdad, no Iraque, os trabalhadores descobriram um objeto desconcertante.

Tratava-se de um pequeno vaso de argila dentro do qual havia um tubo feito de chapa de cobre, com um diâmetro de aproximadamente 2,5 cm. por uns 10 cm. de comprido. A base do tubo estava selada por um disco, também de cobre. Uma barra de ferro, aparentemente corroída por ácido, se projetava através de uma tampa de asfalto na parte superior.

A princípio foi catalogado como objeto de culto e colocado na seção de arqueologia religiosa do Museu de Bagdad.

Até que o arqueólogo alemão, Wilhelm Konig, que na ocasião vivia no Iraque, examinou o objeto e chegou a uma conclusão surpreendente: se o tubo havia sido preenchido com uma solução ácida, havia funcionado como uma batería elétrica rudimentar.

Os espartanos e mesopotâniocs obtiveram algum conhecimento sobre eletricidade, baseados na descoberta da bateria de Bagdá, que é um precursor da célula galvânica.

seria a 1ª bateria elétrica (sec. III a.C.?)

Concepções Alternativas

• eletricidade é um fluido
• bateria é um recipiente
• dois tipos de eletricidade saem um da cada pólo e se encontram na lâmpada
• cada elétron percorre todo o circuito de um pólo ao outro
• a corrente se desgasta ao passar por uma resistência

Luigi Galvani (1737-1798)

arcos bimetálicos provocavam espasmos em pernas de rã (1783)

acreditou que eletricidade (animal) provinha do músculo

Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827)

associado de Galvani

desenvolveu as células voltaicas, predecessoras da pilha elétrica (1800)

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Fisico alemão

Nasceu na Alemanha e desenvolveu a teoria sobre condução elétrica, baseando-se no estudo da condução em fios de comprimentos e diâmetros diferentes

Faz a relação entre a corrente elétrica num circuito e a diferença de potencial (voltagem) da pilha.

Estudou muito os fenomenos envolvendo eletrodinâmica e que estabeleceu as lei dos circuito elétrico

Lei de Ohm

• R: resistência
• V: diferença de potencial
• I: corrente

Eletromagnetismo

Em 1820, o dinamarquês Hans Oersted relaciona fenômenos elétricos aos magnéticos ao observar como a corrente elétrica alterava O movimento da agulha de uma bússola. Michel Faraday inverte a experiência de Oersted e verifica que os magnetos exercem ação mecânica sobre os condutores percoridos pela corrente elétrica e descobre a indução eletromagnética, que terá grande aplicação nas novas redes de distribuição de energia. A Indução Eletromagnética um campo magnético (variável) gerado por uma corrente elétrica (também variável) pode induzir uma corrente elétrica em um circuito. A energia elétrica também pode ser obtida a partir de uma ação mecânica: girando em torno de um eixo, um enrolamento de fio colocado entre dois imãs provoca uma diferença de potencial (princípio do dínamo).

Antecedentes

marinheiros já haviam observado que um relâmpago perturbava a agulha da bússola

Romagnosi, filósofo, economista e jurista italiano, publicou em 1802, num jornal italiano, a sugestão de uma relação entre eletricidade e magnetismo

André-Marie Ampère (1775–1836 )

Dados Biográficos

físico francês

disse que aos 18 anos sabia tanta Matemática quanto jamais soube

18 anos: os três pontos altos da vida:

• a 1ª comunhão,
• a leitura do “Eulogy of Descartes", de Thomas e
• a Tomada da Bastilha (França)

Contribuições

desenvolveu a observação de Ørsted: corrente elétrica gera campo magnético

constrói o primeiro galvanômetro

Lei de Ampère

circulação do campo magnético

corrente produz campo magnético

Campo magnético

um magneto comporta-se como um dipolo

tem sempre dois pólos

não há cargas magnéticas isoladas (monopolos)

Lei de Faraday

circulação do campo elétrico

variação do campo magnético produz campo elétrico

Força de Lorentz

Quando uma particula carregada eletricamente viaja em um campo eletromagnetico, age nela uma força chamada força de Lorentz. Em fisica nao relativistica, a equaçao abaixo associada as Equações de Maxwell e às leis de Newton, fornece uma descriçao exata do movimento dos corpos eletricamente carregados em um campo eletromagnetico.

Criação de pares

Surge como instabilidade do vácuo do sistema quântico de partículas carregadas

James Clerk Maxwell (1831–1879)

Dados Biográficos

matemático e físico escocês

devoto cristão

Aos 14 publicou na Royal Society um artigo sobre o desenho de curvas geométricas com cordel

Aos 16, começou a estudar matemática, filosofia natural e lógica na Universidade de Edimburgo

obteve a distribuição que descreve estatisticamente os gases

tirou a primeira fotografia colorida usando filtros de um tartan (xadrez escocês)

recebeu medalha por seu trabalho no daltonismo

1859: demonstrou que os anéis de Saturno não podiam ser líquidos nem sólidos

1861: foi eleito para a Royal Society

1864: apresentou as famosas equações

Equações de Maxwell

unificam e completam

• Lei de Faraday
• Lei de Ampére
• Lei de Gauss

As Equações de Maxwell são o grupo de quatro equações, que descrevem o comportamento dos campos elétrico e magnético, bem como suas interações com a matéria

As quatro equações de Maxwell expressam, respectivamente, como cargas elétricas produzem campos elétricos (Lei de Gauss), a ausência experimental de cargas magnéticas, como corrente elétrica produz campo magnético (Lei de Ampère), e como variações de campo magnético produzem campos elétricos (Lei da indução de Faraday). Maxwell, em 1864, foi o primeiro a colocar todas as quatro equações juntas e perceber que era necessário uma correção na lei de Ampère: alterações no campo elétrico atuam como correntes elétricas, produzindo campos magnéticos

Mostrou que as quatro equações, com sua correção, predizem ondas de campos magnéticos e elétricos oscilantes que viajam através do espaço vazio na velocidade que poderia ser predita de simples experiências elétricas—usando os dados disponíveis no época, Maxwell obteve a velocidade de 310.740.000 m/s .

Maxwell (1865) escreveu:

Esta velocidade é tão próxima da velocidade da luz que parece que temos fortes motivos para concluir que a luz em si (incluindo calor radiante, e outras radiações do tipo) é uma perturbação eletromagnética na forma de ondas propagadas através do campo eletromagnético de acordo com as leis eletromagnéticas

Ondas Eletromagnéticas

equações de Maxwell Þ equação de onda

velocidade de propagação igual à velocidade da luz

Þ luz: onda eletromagnética

Ver Também

• GOTTSCHALL, Carlos Antonio Mascia. Do mito ao pensamento científico: A busca da realidade, de Tales a Einstein. São Paulo : Atheneu, 2004.
• LÉVY-LEBLOND, Jean-Marc, A Electricidade e o Electromagnetismo em Perguntas, Gradiva, Lisboa, 1991.
• SCHRÖDINGER, Erwin, O Que é a Vida?, Ed. Fragmentos, Lisboa, 1989, cap. VI, “O Mistério das Qualidades Sensoriais”
• CHAIB & ASSIS. Apresentação distorcida da obra de Ampère nos livros didáticos. In Anais do X EPEF, 2006. (disponível em http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/x/sys/resumos/T0023-1.pdf)
• SILVA & PIMENTEL. Benjamin Franklin e a História da Eletricidade em livros didáticos. In Anais do X EPEF, 2006. (disponível em http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/x/sys/resumos/T0150-1.pdf)
• BACHELARD, Gaston, O Novo Espírito Científico, Edições 70, Lisboa, 1996.
• História da electricidade
• Eletricidade
• Electrostática
• Magnetismo
• Magnetostática

Este módulo tem a seguinte tarefa pendente: Incuir linha de tempo