Indução Eletromagnética e as Equações de Maxwell

 

Pois analisemos um experimento envolvendo um loop de corrente se movimentando sob a ação de um campo magnético estacionário. Analisemos o experimento tanto do ponto de vista de um observador fixo no referencial onde o campo magnético é estacionário, quanto do ponto de vista de um observador solidário ao circuito de corrente:
 


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Há dois observadores, um fixo e outro linha, que se move, como dito, solidariamente ao circuito. No que as cargas positivas da barra se deslocam para a direita, a força de Lorentz F=q v X B literalmente as empurram barra acima, dada a orientação do campo magnético que penetra no plano da página. Podemos calcular o trabalho ciclico sobre uma destas cargas q analisando a expressão

Desta expressão, em conjunto com o Teorema de Stokes, podemos obter uma para a força eletromotriz e, na seguinte forma:

A força eletromotriz é o trabalho cíclico por unidade de carga e mede a queda de potencial medida na barra ou na resistência R ao lado esquerdo. A expressão (110) pode ser reescrita com auxílio de identidades vetoriais. Já que v é suposto um vetor constante, a expressão adquire a forma

onde a última igualdade nasce do fato de div B=0. A expressão (111) é totalmenente definida em termos de quantidades no referencial sem linha. O que no entanto acontece agora é o seguinte. A queda de potencial é a mesma nos dois referenciais. Pode-se imaginar um voltímetro acusando uma voltagem V - o que é indicado no mostrador do voltímetro, ao menos para velocidades não relativísticas, é o mesmo número, tanto se visto do referencial linha quanto do não linha - e=e'. Quanto a integral em (111), ela pode ser convertida em quantidades medidas pelo observador linha. Para tanto, meçamos a variação do campo B medida pelo observador linha que se move com velocidade v:

A variação deste campo para alguém que se move com velocidade v é calculada como

Esta expressão nada mais é do que a derivada convectiva do campo B, ou seja, a derivada de B acompanhando um ponto que se move com velocidade v. Se, como no nosso caso, o campo é estacionário no referencial sem linha temos a igualdade:

Daqui nasce a expressão - suprimindo as ``linhas'':

fB é o fluxo da indução magnética através da superfície definida pelo circuito fechado da figura, e a expressão (115) reflete o efeito indução magnética. Podemos explorar (115). No referencial linha, o circuito de corrente é estacionário e a indução magnética varia com o tempo. Por outro lado, a força responsável pelo efeito eletromotriz não pode ser a força de Lorentz, já que a barra tem velocidade nula. Moral: quem empurra os elétrons barra acima no referencial linha é uma nova força Fnovo a qual podemos associar um campo Enovo que em princípio é um novo campo da teoria.

de onde tiramos o resultado fundamental

A força total sobre uma partícula de carga q passa a ser:

onde aqui introduzimos o conceito de campo total como a soma do campo de origem eletrostática, nosso antigo conhecido, e o novo campo. O campo eletrostático tem origem potencial - seu divergente é não nulo e seu rotacional é nulo. Para o novo campo, cuja fonte rotacional é a variação da indução magnética, suporemos que a fonte ``divergencial'' se anula. Com isto, as equações de campo que temos até agora podem ser escritas da seguinte forma - certifiquem-se disto:

Além destas equações eletromagnéticas, a equação da continuidade de cargas deve ser respeitada. Mas esta é incompatível com (122) - porquê? Nosso próximo tópico será o de ajustar a teoria.