Leis do Eletromagnetismo: Coulomb, Campos e Maxwell

Lei de Coulomb

Lei de Coulomb — o poder de atração ou repulsão entre duas cargas pontuais é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.

Características

• A força é dirigida ao longo da linha que une as cargas.
• É repulsiva se as cargas têm o mesmo sinal e atrativa se têm sinais opostos.
• Atua independentemente de qualquer meio material entre as cargas (atua no vácuo ou em meios materiais, com constante dielétrica adequada).
• Cumpre o princípio da ação e reação e o princípio da superposição: a força resultante sobre uma carga é a soma vetorial das contribuições de todas as demais cargas.

Campo elétrico

Campo elétrico — perturbação do espaço produzida por um corpo carregado, que atua sobre outras cargas presentes nesse espaço. Para uma carga pontual, o campo é radial; a direção do campo depende do sinal da carga q (afastando-se de uma carga positiva e aproximando-se de uma carga negativa).

Potencial elétrico e energia potencial

Energia potencial elétrica de uma carga q em um ponto do espaço é o trabalho realizado pelo campo elétrico para mover a carga q desse ponto até o infinito (ou vice‑versa, conforme o referencial adotado).

Potencial elétrico em um ponto do espaço é o trabalho realizado pelo campo elétrico para mover uma unidade de carga positiva desde esse ponto até o infinito; é, portanto, a energia potencial por unidade de carga.

Trabalho do campo elétrico

Trabalho positivo do campo (espontâneo): quando a carga q é movida pela ação das forças do campo elétrico, a energia potencial elétrica da carga diminui. Exemplo físico: cargas de sinais opostos que se aproximam espontaneamente.

Trabalho negativo do campo (não espontâneo): quando a carga q é movida por uma força externa contra o campo elétrico, a energia potencial elétrica aumenta. Exemplo físico: aproximar duas cargas de mesmo sinal exige trabalho externo.

Fluxo do campo elétrico

O fluxo do campo elétrico através de uma superfície é uma medida do número de linhas de campo que atravessam essa superfície. O fluxo elétrico através de uma superfície fechada S é proporcional à carga elétrica líquida Q contida no interior da superfície, com a constante de proporcionalidade sendo a permissividade do meio (lei de Gauss).

Campo magnético

Campo magnético — perturbação do espaço produzida por um ímã ou por uma corrente elétrica, que atua sobre ímãs e correntes em seu entorno.

Lei de Biot–Savart

Biot–Savart mostra o campo magnético produzido por correntes elétricas. No caso de correntes em fios (filiformes ou fechados), a contribuição de um elemento infinitesimal de comprimento do fio dl, por onde passa a corrente I, produz uma contribuição dB do campo magnético em um ponto localizado a uma distância R relativa a esse elemento. A direção e o módulo de dB dependem de dl, da corrente I e da posição do ponto relativo ao elemento de corrente.

Linhas de indução magnética

As linhas de indução do campo magnético gerado por uma corrente são concêntricas em torno do condutor. O sentido das linhas é dado pela regra da mão direita (o polegar indica a direção da corrente e os dedos enrolados mostram o sentido do campo).

Teorema de Ampère

Lei (ou teorema) de Ampère — a circulação do campo magnético ao longo de qualquer curva fechada C é igual ao produto da permeabilidade do meio pela intensidade da corrente elétrica que atravessa a área delimitada por C (forma integral da lei de Ampère).

Fluxo magnético

Fluxo magnético — medida do número de linhas de indução magnética que atravessam uma superfície; depende da intensidade do campo e da área projetada da superfície na direção do campo.

Lei de Faraday (Faraday–Henry)

Faraday — quando varia o número de linhas de indução magnética que atravessam a superfície de um circuito elétrico, isso provoca uma força eletromotriz induzida que pode gerar uma corrente elétrica no circuito. (A menção a "Henry" refere‑se à unidade e a contribuições históricas à indução magnética; a lei é classicamente conhecida como Lei de Faraday.)

Lei de Lenz

Lenz — o sentido da corrente induzida é tal que seu efeito magnético se opõe à causa que o produz (ou seja, se opõe à variação do fluxo magnético que a gerou).

Força eletromotriz induzida (Faraday)

A força eletromotriz (fem) induzida está relacionada à taxa de variação do fluxo magnético através de um circuito: uma variação temporal do fluxo gera uma fem induzida proporcional a essa variação (com sinal determinado pela regra de Lenz).

Equações de Maxwell

Equações de Maxwell — Maxwell resumiu as leis do eletromagnetismo em quatro equações fundamentais. Em termos qualitativos:

• Lei de Gauss (eletricidade): o fluxo do campo elétrico através de uma superfície fechada é proporcional à carga elétrica total no interior.
• Lei de Gauss (magnetismo): o fluxo magnético através de qualquer superfície fechada é zero (não existem monopólos magnéticos observados).
• Lei de Faraday: um campo magnético variável no tempo gera um campo elétrico em torno dele (indução eletromagnética).
• Lei de Ampère–Maxwell (generalizada): o campo magnético pode ser produzido por correntes elétricas existentes ou por variações temporais do campo elétrico (termo de deslocamento de Maxwell).

Observações finais

Os conceitos acima (Lei de Coulomb, campo elétrico, potencial, fluxo, campo magnético, Biot–Savart, Ampère, Faraday, Lenz e Equações de Maxwell) compõem a base do eletromagnetismo clássico e inter-relacionam forças, campos e energia — essenciais para a compreensão de fenômenos elétricos e magnéticos em diferentes meios.