As Quatro Equações de Maxwell - Uma interpretação Qualitativa - Parte 1

Tenho certo apreço pela teoria eletromagnética que conhecemos que utilizamos, e que da certo dentro de seu limite de validade. Até hoje não se descobriu uma teoria que tenha validade sempre, seja qual for a situação, seja qual for as condições. Os físicos teóricos Procuram uma teoria do tudo, o que seria de uma elegância enorme. Uma única teoria que descreve desde as forças inter atômicas a movimento de planetas. Mas até agora nada é tão concreto como as teorias que nós temos hoje e que já se mostraram bastantes úteis em diversas situações do desenvolvimento humano. Como exemplos, podemos citar: mecânica clássica, a termodinâmica, a relatividade restrita, e varias outras áreas do conhecimento humano. Dentro dessas teorias darei um enfoque principal nesse post para a teoria eletromagnética.

A teoria eletromagnética é resumida em quatro elegantes equações. Tais equações foram denominadas: "Equações de Maxwell", em homenagem ao físico escocês de mesmo nome que deu uma ligação entre a eletricidade e o magnetismo, já que antes, essas eram áreas de conhecimento diferentes. Mas, Antes de falar sobre as equações de Maxwell vamos discutir a cerca de dois elementos importantíssimos nas teorias elétrica e magnética: A carga e o dipolo magnético. Somente depois faremos a unificação e comentaremos sobre as equações de Maxwell.

É um fato da natureza que existe a carga elétrica. Desde muito cedo aprendemos que carga positiva atrai carga negativa e vice-versa e carga positiva repele carga positiva e negativa repele negativa. Mas o que não nos dizem é: O que é a carga elétrica? É difícil definir a carga elétrica, assim como é difícil definir a massa, mas podemos dizer que a carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria. Ela se manifesta das seguintes formas; negativa ou positiva. Sempre se manifesta como múltiplos inteiros de um valor fixo. Esse valor fixo é a carga do elétron. Acredita-se até hoje que o elétron (um dos componentes do átomo) é uma partícula fundamental e, portanto é indivisível, sua carga é negativa e vale 1,60217646 x 10-19C (10-19 é dez elevado a menos dezenove, ou seja o numero 1,60217646 aparece depois de 19 zeros). Se um corpo tem as mesmas quantidades de cargas positivas e negativas, dizemos que ele está eletricamente neutro. É natural que os corpos carregados com o passar do tempo procurem o equilíbrio. A natureza sempre procura o estado de menor energia possível. Então corpos carregados tendem a ficar neutros com o passar do tempo. O porquê de isso ocorrer ainda é um grande mistério, mas devido ao fato da natureza sempre buscar o menor estado de energia possível é que existimos. Se os átomos (material do qual todos os objetos, inclusive os humanos, são formados) não fossem eletricamente neutros nós não existiríamos!

Você já deve ter percebido que a força gravitacional atua a distancia (você não precisa estar em contato com a terra para que ela "puxe" você para a superfície). A carga elétrica gera uma força em outras cargas e também atua a distância. Por exemplo: Existe uma carga elétrica em um ponto do espaço e é colocada outra carga muito menor em outro ponto do espaço, mas de sinal contrário. Se as distâncias não forem muito grandes as cargas vão se atrair. Dizemos que uma carga elétrica gera um campo elétrico, esse campo elétrico atrai ou repele outras cargas. Escolhemos a segunda carga muito menor que a primeira para que o efeito do seu campo elétrico seja desprezível com relação ao campo da outra. É intuitivo que a intensidade desse campo diminui com a distância e quanto maior a carga maior é o campo. Costumamos dizer que no infinito (um ponto muito distante da carga elétrica) o campo elétrico vale zero. É claro que isso é relativo. Por exemplo: em relação ao campo elétrico gerado por um elétron, a distancia de 4 cm já pode ser considerada no infinito, pois o elétron tem a menor carga possível de modo que a essa distancia não sentiremos o efeito do campo elétrico do elétron. Porem, essa mesma distância com relação a uma carga de 1C já não é mais considerado no infinito. Então a força elétrica e a gravitacional atuam a distância através de um campo, porem diferentemente da gravidade, a força elétrica nem sempre é atrativa.


Não observamos grandes concentrações de cargas do mesmo sinal em certa região do espaço, pelo simples fato das cargas do mesmo sinal repelem-se.

 Na natureza a carga elétrica positiva existe independentemente da carga negativa, e vice versa. Então podemos dizer que existe o monopólio elétrico. Podemos finalmente concluir dizendo que na eletricidade o ente fundamental é a carga elétrica.

Na próxima parte discutiremos o ente fundamental do Magnetismo: O dipolo magnético.

Uma pergunta Facíl... Uma resposta surpreendente.

Você e um amigo escutam a mesma música, começando os dois ao mesmo tempo. Seu amigo escuta a música que vem do som do seu carro que possui uma certa velocidade com relação a você, que se encontra parado com relação a pista que o carro do seu amigo passa. Se para você a musica durou 3 minutos, quanto tempo durou a música para seu amigo?

Um dos maiores gênios da história da física Sir Isaac Newton, não demoraria muito tempo para responder tal pergunta. A resposta seria: "Como você e seu amigo começaram a ouvir a música no mesmo instante de tempo, se a música durou 3 minutos para você, durou 3 minutos para seu amigo também. O fato do seu amigo possuir uma certa velocidade com relação a você não interfere na marcação do tempo de duração da música"

Vamos combinar que a resposta que Newton nos deu é, de certa forma, Razoável. Devido ao fato que é essa a idéia que estamos acostumados no nosso dia-dia. Quando marcamos um compromisso pra daqui a 3 horas nao perguntamos: "Mas esse tempo é com relação a você que vai esperar na sua sala ou a mim que vou andar de carro com uma certa velocidade." Além do mais é a realidade que estamos acostumados. O jogo escutado pelo ouvinte dentro de um carro em movimento, acaba no mesmo instante que o jogo ouvido pelo ouvinte que está em casa.

É Razoável, é simples, porem errada. Sim, Newton errou a propor uma idéia que o tempo é absoluto. que todos marcam a mesma duração para um mesmo evento desde de que comecem a marcar no mesmo instante.

Para obtermos a resposta correta vamos pedir ajuda um alemão bem famoso: Albert Einstein.

A resposta que Einstein daria para essa resposta seria:

" Se Você e seu amigo ouviram a mesma música começando no mesmo instante de tempo, porem como o seu amigo ouviu a música dentro do carro e voce ouviu a música fora do carro parada com relação a pista na qual o carro se movimenta. Se para você a música durou 3 minutos. Seu amigo marcou um tempo menor."

A resposta é correta e comprovada experimentalmente para quem acha que isso é necessário. Eu sei que essa resposta pode parecer errada e absurda, mas isso é porque desde de pequeninos somos acostumados a viver em um mundo onde o tempo tem caráter absoluto. Mas isso não é verdade e portanto devemos nos acostumar com a idéia que o tempo é relativo. Depende do referencial onde medimos a duração de um evento. Resumindo: Dois observadores podem marcar tempo de duração diferente para o mesmo evento.

Note ainda algo que é ainda mais surpreendente. Você e seu amigo ouviram a mesma musica começando a ouvir simultaneamente. A pergunta que fica é: "O que é começar simultaneamente?"

Para a maioria das pessoas é: no momento em que você começar a marcar o tempo de duração da música parado na pista, seu amigo dentro do carro também começa. Razoável? Sim. Errado? Também. Como o tempo é relativo, o mesmo instante de tempo pra você não é o mesmo para seu amigo dentro do carro, se quando a musica começou ele já tinha uma certa velocidade com relação a você. Resumindo: Simultaniedade também é relativa.

Vamos supor que o carro só começou a se movimentar no instante que a música começou a tocar. Então estamos no caso da resposta de Einstein. Porque se o carro estava parado com relação a você quando a música começou, então você e seu amigo marcaram o inicio da música simultaneamente.

Mesmo assim Einstein diz que a música termina mais cedo para o seu amigo do carro, e como eu disse anteriormente ele está correto.

Na relatividade existe um conceito denominado de tempo próprio, Esse tempo é sempre o  menor intervalo de tempo possível para a duração de um evento. Ele é o intervalo de tempo medido no referencial que se encontra em repouso em relação ao evento. Como você e seu amigo ouvem a música da mesma fonte de som e  se movem com velocidade constante um com relação ao outro. e para seu amigo a musica começa e termina no mesmo local, pois a musica provem do som do carro dele. (Para seu amigo o referencial é o carro, ele começa ouvindo a musica parado com relação ao carro, sentado no banco e termina no mesmo local, já você ouve o início da música em um ponto da pista e termina de ouvir em outro). ele marca o tempo próprio. Então ele marca o menor intervalo de tempo possível para o evento, que no nosso caso foi a duração da música. Então se você marcou 3 minutos, seu amigo marcou um tempo menor. Do mesmo modo se a fonte de som fosse o seu mp4 que você carrega consigo, você marcaria o tempo próprio, pois a musica começaria e terminaria no mesmo ponto do espaço;

Então alguém pode perguntar: "Então quando a produtora musical for especificar a duração da música vai ter que especificar em qual referencial aquele tempo foi medido?" A resposta é não. A diferenca entre o tempo marcado por qualquer observador e o tempo próprio é muito pequena se as velocidades envolvidas nao foram comparaveis com a velocidade da luz. A velocidade da luz vale 300 mil quilometros por segundo. No nosso dia-dia não lidamos com velocidades comparaveis a essa, por isso nao notamos o efeito da relatividade. Usando a relação que pode ser deduzida a partir dos 3 postulados de Einstein e alguns outros postulados mais antigos, entre tempo e tempo próprio. vemos que o efeito é quase imperceptível, da ordem de milionésimos de segundo. Isso levando em conta que o carro se move com uma velocidade de 60 quilômetros por segundo.

A relatividade é realmente extraordinária. mas não podemos nota-lo no mundo de baixas velocidade..

Apresentação e Gravitação

Nesse primeiro contato discutiremos um pouco sobre a gravitação. Usaremos nessa postagem um nível bem básico, de fácil entendimento para todas as pessoas. Continuarei essa conversa em outro vídeo. Aguardem.

Espero que tenham gostado, como disse tem continuação. Comentem a vontade.