A Força Eletromagnética

A interação eletromagnética, ou força eletromagnética, é aquela que ocorre quando corpos possuidores de cargas elétricas e/ou corpos magnetizados interagem.

As interações eletromagnéticas são descritas por uma parte da física chamada eletrodinâmica. Esta é a teoria física que descreve os fenômenos elétricos e magnéticos, ou seja todos os processos de interação que ocorrem entre corpos carregados que interagem por meio de forças eletromagnéticas. A formulação clássica da Eletrodinâmica foi feita por James Clerk Maxwell.

Interação entre corpos carregados: a lei de Coulomb

Sabemos que os elétrons têm carga negativa enquanto que os prótons têm cargas positivas. Desta forma, quando dois ou mais prótons, elétrons ou uma mistura destas partículas são colocadas próximas, sempre ocorre um processo de interação eletromagnética.

A interação elétrica não ocorre apenas entre elétrons e prótons mas também entre dois ou mais corpos quaisquer que possuam carga elétrica.

Já era conhecido que corpos possuidores do mesmo tipo de carga elétrica se repeliam enquanto que se as cargas fossem diferentes eles se atraiam . Mas foi o físico francês Charles Augustin Coulomb que conseguiu, a partir de experiências realizadas em seu laboratório, colocar estas observações sobre o comportamento de corpos carregadas em uma forma matemática.

Segundo Coulomb, a força elétrica entre duas partículas carregadas é dada pela fórmula, onde q e q' são as cargas elétricas dos dois corpos, d é a distância entre eles e k é uma constante (análoga à constante G que surge quando estudamos a gravidade). Esta é a chamada lei de Coulomb.

Observando que, uma vez que as cargas elétricas podem ter sinais diferentes, a força calculada pode ser positiva ou negativa. Se ela for positiva isso significa que os corpos têm cargas elétricas com o mesmo sinal e, portanto, se repelem. Se o sinal da força for negativo, isso nos mostra que as cargas elétricas possuem sinais contrários e, portanto, os corpos carregados se atraem.

As equações de Maxwell

As interações eletromagnéticas, ou seja o conjunto de fenômenos que ocorrem com corpos que possuem carga elétrica ou magnetismo, são regidas pelas chamadas equações de Maxwell.

James Clerk Maxwell foi um físico escocês que viveu de 1831 à 1879 e notou que todos os fenômenos elétricos e magnéticos que ocorrem na natureza podem ser descritos por um conjunto de apenas quatro equações!

As equações de Maxwell não são simples matemáticamente, exceto para os profissionais de ciências. Elas estabelecem uma íntima relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos, mostrando que estes não são fenômenos isolados. Os fenômenos elétricos produzem os efeitos magnéticos e vice versa. É por esta razão que os fenômenos elétricos e magnéticos passaram a ser tratados por uma única teoria chamada eletromagnetismo.

A luz como uma onda

Também foi Maxwell que mostrou que a radiação eletromagnética, ou seja a luz, se propaga como uma onda. A partir de transformações matemáticas que ele realizou sobre as quatro equações do eletromagnetismo, Maxwell mostrou que elas se reduziam a uma equação de propagação de uma fenômeno ondulatório. Desta forma, a luz se propaga no espaço como uma onda e é por este motivo que a eletrodinâmica é o estudo das propriedades das ondas eletromagnéticas. A luz que recebemos das estrelas nada mais é do que a radiação eletromagnética produzida por fenômenos físicos que ocorrem no seu interior e, posteriormente, emitida por elas. Estas ondas eletromagnéticas se propagam no espaço interestelar e chegam até nós permitindo-nos ver os objetos celestes.

Também foi Maxwell que mostrou, a partir da obtenção da equação de propagação ondulatória da luz, que a velocidade desta propagação, ou seja a velocidade da luz, no vácuo é

vluz = c = 300000 km/seg

Observação:

É um erro comum vermos escrito que a velocidade de propagação da luz é de 300000 quilômetros por segundo. Isto não é verdade. Esta é a velocidade de propagação da luz no vácuo. Em um meio material a luz tem uma velocidade menor do que essa. Este "detalhe" é importante porque a velocidade da luz no vácuo é a velocidade limite máxima para todos os corpos materiais, princípio esse estabelecido pela Teoria da Relatividade Restrita de Einstein. Em um meio material a velocidade da luz pode ser inferior à sua velocidade de propagação no vácuo.

O alcance da força eletromagnética

Vimos anteriormente que a força eletromagnética é cerca de 1040 vezes maior do que a força da gravidade. Se ambas são forças de longo alcance, então qual o motivo para a gravitação, e não o eletromagnetismo, dominar as interações entre os corpos celestes? Porque a maioria das regiões do espaço são eletricamente neutras e, portanto, não sentem a interação eletromagnética.

A diferença de intensidade entre as forças gravitacional e eletromagnética não é aparente por causa da natureza dual (atrativa/repulsiva) dessa última. No entanto, no nosso dia-a-dia as forças que impedem você de cair no chão ou de sua cadeira, as forças que são exercidas quando você empurra um objeto (fricção, etc.) são exemplos da força eletromagnética em ação (elas são responsáveis pela solidez dos corpos).

A eletrodinâmica quântica

A teoria clássica da eletrodinâmica, construída por Maxwell, já era consistente com a teoria da relatividade especial de Einstein.

No entanto, para aplicar estas equações aos fenômenos eletromagnéticos que ocorriam entre partículas elementares carregadas , foi necessário construir uma nova teoria envolvendo a mecânica quântica. O "casamento" do eletromagnetismo com a mecânica quântica, ou seja, a construção de uma "Eletrodinâmica Quântica", foi realizada por grandes nomes da física tais como Dirac, Feynman, Tomonaga e Schwinger nos anos da década de 1940.

A eletrodinâmica quântica é uma das teorias mais bem construídas da física. Os equipamentos eletrônicos que você usa em sua casa possuem circuitos integrados cuja construção se baseia na eletrodinâmica quântica. De fato , a precisão verificada entre os resultados previstos teoricamente e aqueles obtidos no laboratório é fantástica !

A eletrodinâmica quântica nos diz que existe uma partícula que é a mediadora de todas as interações eletromagnéticas. Esta partícula é o fóton : um processo de interação de partículas carregadas eletricamente significa uma troca incessante de fótons .

A descrição das interações eletromagnéticas sob qualquer ponto de vista é uma das áreas mais importantes para nós que gostamos de astrofísica. Lembre-se que vemos as estrelas porque elas emitem radiação e esta radiação nada mais é do que fótons produzidos por processos quânticos que ocorrem no interior da estrela.

Fonte:

Observatório Nacional