Forças Fundamentais da Natureza - Força Eletromagnética

Os fenômenos do mundo material são descritos introduzindo-se uma variedade de forças diferentes como a força peso, a força de atrito entre superfícies secas, a força de viscosidade, a força normal, as forças elásticas de deformação dos corpos e a força eletrostática (coulombiana), só para citar alguns exemplos. Contudo, descrevendo-se os fenômenos em termos de seus componentes microscópicos básicos e suas interações mútuas, aquela variedade de forças pode ser compreendida em termos de apenas quatro interações fundamentais: a gravitacional, a nuclear fraca, a eletromagnética e a nuclear forte.

Antes do Big Bang, o Universo era uma singularidade infinitesimalmente pequena, onde estas 4 forças estavam confinadas em um único ponto. Logo após o Big Bang, a gravidade foi a primeira que separou-se das demais forças e assim por diante. As leis de Einstein ainda não tinham sido aplicáveis, então o Universo se expandiu mais rápido que a luz.

A cada dia explicarei uma das quatro forças fundamentais.

FORÇA ELETROMAGNÉTICA

Nós, seres humanos, e todos os animais e plantas, além dos objetos, possuímos massas e estamos sujeitos à força gravitacional do planeta Terra. O que impede que sejamos todos aglomerados em torno do núcleo terrestre em uma única massa disforme? O que mantém nossos corpos coesos?

Também é fato que a maior parte da matéria é constituída de espaços vazios (basta vermos o modelo atômico clássico e compararmos as distâncias entre prótons e nêutrons com os elétrons). Então, o que impede que um bloco de madeira atravesse uma mesa por entre esses espaços vazios? A resposta a todas essas perguntas é a existência de outro tipo de interação entre os corpos: a força eletromagnética.

HISTÓRICO

Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Öersted descobriu que a corrente elétrica num condutor está associada a um campo magnético. Dez anos mais tarde, Michael Faraday, físico inglês, e Joseph Henry, físico norte-americano, descobriram que a variação de um campo magnético induz uma corrente elétrica num condutor. Com a união desses estudos surgiu o eletromagnetismo.

Em 1837, James Clerk Maxwell, físico inglês, apresentou um trabalho no qual, matematicamente, ele unificava as forças elétricas e magnéticas, assumindo de vez a existência da força eletromagnética.

A partir da consolidação da teoria do eletromagnetismo, surgiram inúmeros experimentos e inventos, como o gerador de corrente alternada, desenvolvido por Nikola Tesla, e a lâmpada elétrica, criada por Thomas Alva Edison. A teoria de Maxwell ainda foi essencial para Albert Einstein, que buscando interpretar as relações estabelecidas entre o magnetismo e a eletricidade, conseguiu formular a teoria da relatividade, também baseada em estudos de Henri Poincaré e Hendrik Lorentz.

No século XX, as explicações da teoria do eletromagnetismo foram ainda mais sofisticadas. O resultado foi a união deste estudo com o da mecânica quântica, dando origem a teoria quântica eletromagnética, também conhecida como eletrodinâmica quântica, em 1940.

FORÇA ELETROMAGNÉTICA

A força eletromagnética tem a ver com praticamente todos os fenômenos físicos que se encontram no cotidiano, com exceção da gravidade. Isso porque as interações entre os átomos são regidas pelo eletromagnetismo, já que são compostos por prótons e elétrons, ou seja, por cargas elétricas. Mas é importante destacar que, de uma forma ou de outra, essa interação atinge todas as outras partículas conhecidas, com exceção do gráviton e do neutrino. Assim podem-se incluir fenômenos químicos e biológicos como consequência do eletromagnetismo.

A partícula mediadora da força eletromagnética é o fóton (uma forma de descrever a luz como partículas indivisíveis). Qualquer objeto ou corpo com carga elétrica emite e absorve luz (fótons), que é responsável pela transmissão da força eletromagnética. Tal constatação nos permite afirmar que a força eletromagnética entre dois corpos não é transmitida instantaneamente - e, sim, na velocidade da luz.

O eletromagnetismo foi imprescindível para o avanço tecnológico e a transformação da sociedade como a conhecemos atualmente. Graças aos estudos do eletromagnetismo, foi possível criar equipamentos indispensáveis para a vida contemporânea, como os motores elétricos, transformadores de tensão, forno micro-ondas, antenas de transmissão de dados e os cartões magnéticos. Os telefones móveis funcionam através das ondas eletromagnéticas, fundamentais para as comunicações sem fio. A importância desta teoria da física pode ser vista todos os dias, nos mais variados equipamentos elétricos e eletrônicos, que não existiriam sem estes estudos.

Fonte: fisicanamenterj.blogspot.com.br

          www.resumoescolar.com.br

Teoria das Cordas...

Pessoal, aqui está um vídeo muito interessante do cientista Michio Kaku explicando em linhas gerais a Teoria das Cordas e o Multiuniverso..

Para quem quer entender um pouco mais sobre a Teoria das Cordas aqui está o link de um post mais antigo do blog falando um pouco sobre esse conceito: Entendendo a Teoria das Cordas

Para Descontrair..

Fonte: Específica de Física

Ondas gravitacionais são detectadas através do LIGO

Cientistas relataram que, pela primeira vez na história, ondas gravitacionais foram detectadas.E isto é muito importante, pois abrirá um campo totalmente novo na astronomia, uma nova maneira de observar o Universo.

Ondas gravitacionais (para não ser confundido com ondas de gravidade, que são uma coisa totalmente diferente) são ondulações no tecido do espaço-tempo, causadas quando um objeto de grande massa é acelerado. No momento em que chegam aqui, vindas de objetos astronômicos distantes, as ondas têm uma energia incrivelmente baixa e são fenomenalmente difíceis de detectar, levou um século para descobri-las, desde que foram previstas pela primeira vez pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Essencialmente, todas as outras previsões da RG foram encontradas, mas a existência das ondas gravitacionais foi irritantemente difícil de provar diretamente.

Até agora. E o que fez com que as ondas gravitacionais fossem detectadas pelo LIGO é tão incrível e alucinante quanto as próprias ondas: eles capturaram uma espiral mortal e seu resultado de dois enormes buracos negros a 1,3 bilhões de anos-luz da Terra que se fundiram em um titânico evento catastroficamente violento.

Lembre-se, nós tivemos algumas boas evidências que tais buracos negros binários existiam antes disso, mas este novo resultado basicamente prova que eles existem e que, ao longo do tempo, eles finalmente colidem e se fundem. Isso é fenomenal.

Os buracos negros tinham massas 36 e 29 vezes a massa do Sol antes de se fundirem. Depois que eles se fundiram, criaram um único buraco negro com uma massa 62 vezes a do Sol. Você pode perceber que essas massas não se somam corretamente: há 3 massas solares desaparecidas. Essa massa não desapareceu simplesmente! Foi convertida em energia: a energia das próprias ondas gravitacionais. E a quantidade de energia é impressionante: este evento único liberou tanta energia quanto o Sol liberaria em 15 trilhões de anos.

Conheça o LIGO: O Laser Interferometer Gravity-Wave Observatory. O LIGO na verdade são duas instalações, uma localizada no Estado de Washington e outra em Louisiana (operados em conjunto pela Caltech e pelo MIT). Não é o que você pode pensar de um observatório astronômico: eles consistem de longos tubos dispostos em L. Na extremidade de cada tubo de quatro quilômetros de extensão tem um espelho.
 
Um laser muito poderoso fica perto do vértice do L, onde os tubos se encontram. Ele envia um pulso de luz para um espelho especial que divide o feixe, enviando metade para cada tubo. Cada espelho reflete o feixe e depois eles são recombinados dentro de um detector.

 Uma das instalações LIGO.


Com esta detecção do LIGO, uma nova era na astronomia começa. Em muitos casos, as ondas gravitacionais são emitidas a partir de objetos que não podemos ver diretamente, como os buracos negros se fundindo, ou estrelas de nêutrons binárias. Às vezes, porém, esses objetos emitem luz visível. A supernova – uma explosão estelar – pode emitir ondas gravitacionais. De forma ainda mais acentuada, quando duas estrelas de nêutrons se fundem e formam um buraco negro, elas liberam não apenas ondas gravitacionais, mas também um enorme clarão de energia sob a forma de raios gama e até mesmo luz visível. Estas explosões de raios gama ocorrem no Universo todos os dias, e nós as vemos o tempo todo. Se pudermos detectar as ondas gravitacionais emitidas por elas, isso vai ajudar os astrônomos a entender esses fenômenos bizarros e incrivelmente violentos.

Onda gravitacional

Uma das conclusões da teoria da Relatividade Geral de Einstein é que o espaço e o tempo são dois aspectos de uma mesma coisa, que chamamos de espaço-tempo. Há muitas analogias para isso, mas você pode pensar nele como o tecido do espaço, uma tapeçaria de quatro dimensões (três espaciais e uma temporal) em que estamos todos encaixados. Lembre-se, não é literalmente assim; estamos usando uma analogia. Mas isso vai te ajudar a imaginá-lo.

Nós pensamos na gravidade como uma força, nos puxando em direção a um objeto. Mas Einstein a remodelou, a vendo como um resultado da deformação do espaço-tempo. Um objeto de grande massa distorce a forma do espaço, e um outro objeto em movimento através desse espaço curvo fica acelerado. Isso é a gravidade. Em outras palavras, a matéria diz ao espaço como se curvar e o espaço diz à matéria como se mover.

 Objetos com massa distorcem o espaço, e é isso que sentimos como gravidade.



Outro resultado da matemática da RG é que se um objeto de grande massa for acelerado, ele irá causar ondulações, ondas, que irão se afastar do objeto. São realmente ondulações no próprio tecido do espaço-tempo! O espaço-tempo se expande e se contrai em formas complexas a medida que uma onda passa, parecido com a forma como ondulações surgem quando uma pedra cai numa lagoa, distorcendo a superfície da água.

Há muitas maneiras de gerar ondas gravitacionais. Quanto mais massivo e denso um objeto é, e quanto mais ele se acelera, mais nítida e mais enérgica as ondas são. A Terra se move em torno do Sol uma vez por ano, acelerada pela gravidade do Sol. Mas o movimento é muito lento e massa da Terra é demasiadamente baixa para termos a esperança de detectar as ondas emitidas.


Mas se você tem dois objetos muito mais massivos – como, por exemplo, estrelas de nêutrons, núcleos super-densos de estrelas que explodiram anteriormente – eles geram ondas que podemos ver.

Na verdade, nós vimos! Mais ou menos. Em 1974, um sistema binário de estrelas de nêutrons foi descoberto pelos astrônomos Joseph Taylor e Russell Hulse. Estes dois objetos massivos orbitam um ao outro muito rapidamente uma vez a cada oito horas. Conforme eles se orbitam, eles emitem um pouco de energia na forma de ondas gravitacionais. Essa energia vem da energia orbital das próprias estrelas, de modo que toda vez que as ondas gravitacionais são emitidas, elas perdem energia orbital. A órbita encolhe, e o tempo gasto diminui drasticamente. Ao longo do tempo, esse “decaimento orbital” pode ser muito precisamente medido … e foi mesmo! Não só isso, se encaixou perfeitamente na previsão da RG.

Taylor e Hulse ganharam o Prêmio Nobel por isso. E eles só detectaram as ondas gravitacionais indiretamente. Eles viram a perda de energia pela emissão das ondas afetar as órbitas das estrelas. Mas eles não detectaram as próprias ondas.

 Fonte: http://www.universoracionalista.org/ligo-ve-as-primeiras-ondas-gravitacionais-vindas-de-dois-buracos-negros-se-fundindo/

Antimatéria: O espelho do Universo

Praticamente tudo o que conhecemos no universo é feito de matéria. Mas os cientistas sabem que no início de tudo, no Big Bang, matéria e antimatéria foram criadas em iguais proporções. Até aí nada demais, se não fosse um pequeno detalhe: quando uma partícula de matéria se encontra com antimatéria, ambas se aniquilam gerando uma grande explosão. Mas afinal de contas, o que é a antimatéria?

A antimatéria é exatamente iguai a matéria, exceto o fato de sua carga elétrica e spin ser oposta à matéria. No início do universo, existiam as partículas e suas antipartículas correspondentes. Por exemplo, para cada quark havia um antiquark e assim vai. Quando essas partículas e antipartículas se encontravam, se aniquilavam e geravam uma colossal quantidade de energia. Uma das provas de que a antimatéria existiu está na denominada radiação cósmica de fundo, a energia gerada nos primórdios do universo e que vaga pelo espaço até hoje.

À medida que o universo se expandiu bruscamente em seus primórdios, ele passou a esfriar. Nessa fase, algo muito interessante e de suma importância para o surgimento dos astros aconteceu: uma pequena quantidade de matéria sobreviveu às inúmeras colisões de partículas e antipartículas. A antimatéria foi praticamente eliminada no nosso universo. Mas aí é que está um dos grandes mistérios da cosmologia: se matéria e antimatéria eram criadas na mesma proporção, porque a matéria sobreviveu à guerra contra a antimatéria?

Que bom que isso aconteceu, afinal de contas, se matéria ou antimatéria não tivesse vencido, ambas ainda estariam colidindo e se aniquilando em todo o universo, e este seria um grande mar de energia que não teria nada que valesse à pena ser visto.

Nos imensos aceleradores de partículas como o LHC, no Cern, os pesquisadores aprenderam a fabricar antimatéria. Chegaram a construir átomos inteiros de antimatéria e isso acabou gerando em aplicações práticas inclusive na medicina, mais precisamente na pet scan, que permite a visualização do interior do corpo humano em 3D. Essa tomografia emite pósitrons, partículas de antimatéria. Esses pósitrons são versões positivas dos elétrons e possuem uma massa e tamanho tão pequeno que deixam um grande espaço entre os átomos. Por isso ao se encontrarem com partículas do corpo humano, não explodem uma pessoa.

Toda a história da antimatéria se iniciou como sempre com Albert Einstein, e sua famosa equação E=MC². Nesse equação, E representa energia da partícula, M sua massa, e C a velocidade da luz. Mas nem mesmo seu criador notou que a equação pode admitir soluções negativas, ou seja, pode ser escrita assim: E=±MC². Contudo, a solução negativa gerava uma grande dificuldade de interpretação. Os físicos não sabiam o que fazer com o resultado.

Paul Dirac, em 1930, afirmou que solução negativa poderia equivaler à antimatéria. A equação que Dirac criou (imagem abaixo – não se assuste) explica o comportamento dos elétrons na mecânica quântica e implica que o elétron pode possui energia negativa. Isso resultou na existência da existência de uma antipartícula do elétron, denominada pósitron.

De acordo com essa equação, qualquer partícula teria sua antipartícula correspondente. Muitas das quais foram observadas posteriormente pelos físicos nos aceleradores de partículas, comprovando a existência da antimatéria, e ajudando os cientistas a entenderem os primórdios do universo.

Fonte: http://misteriosdomundo.com/antimateria-o-espelho-do-universo

Entendendo a Teoria das Cordas

A Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica foram as duas mais importantes teorias produzidas no século passado, mas há um grave problema: elas são totalmente incompatíveis. A Teoria da Relatividade explica muito bem como funciona as grandes coisas, ou melhor, tudo que é maior que um átomo. Por sua vez, a mecânica quântica explica o bizarro mundo do interior das partículas subatômicas. Mas quando é preciso combinar as duas teorias para explicar por exemplo a singularidade (energia e densidade infinitas presente no interior dos buracos negros e no Big Bang), os pesquisadores simplesmente não conseguem combinar as duas teorias.

Einstein passou grande parte de sua vida tentando concluir sua Teoria do Campo Unificado, que seria um modelo capaz de explicar simultaneamente as quatro forças fundamentais (electromagnetismo, gravidade, força nuclear forte e força nuclear fraca). Vários outros físicos deram continuidade ao trabalho de Einstein e o resultado foi a Teoria das Cordas.

A Teoria das Cordas é uma tentativa de unificar a Teoria da Relatividade com a Mecânica Quântica, além das 4 forças fundamentais.  É a mais complexa teoria já desenvolvida, e envolve cálculos matemáticos que para a maioria das pessoas é totalmente incompreensível. Já passou por várias reformulações e provavelmente passará por novas no futuro. É vista pelos físicos como a principal teoria que possa explicar o universo inteiro, até em seu nível mais fundamental, desde o surgimento do Big Bang até o possível final do universo (Big Crunch ou Big Freeze).

Uma das mais famosas premissas da Teoria das Cordas é a existência de nada menos que 11 dimensões, contando com as 4 que conhecemos (3 espaciais e 1 temporal).

No século passado, os cientistas descobriram que um átomo não é indivisível, pois é composto por partículas muito pequenas denominadas elétrons, prótons e nêutrons (as outras dimensões ocultas fazem parte desse nível subatômico). Mas a Teoria das Cordas afirma que essas partículas subatômicas ainda podem ser divididas, e que se o fizéssemos, enxergaríamos pequenos filamentos, denominados cordas. O universo inteiro seria formado por pequenas cordas, que conforme seu comprimento e vibração, criam e definem a característica de uma partícula subatômica, explicando porque há uma diversidade tão grande de partículas no universo.

Mas infelizmente não há sinais de que a Teoria das Cordas possa ser testada em laboratórios, já que a tecnologia atual é incapaz deenxergar dimensões ocultas ou as próprias cordas. Ainda não há um consenso se está correta ou não. Caso esteja, representaria um grande avanço na ciência.

Fonte: http://misteriosdomundo.com/entendendo-a-teoria-das-cordas

Buracos Negros

Concepção artística de um buraco negro (NASA).

Em 1704, em sua obra Optiks, Newton sugeriu que a luz era formada de partículas, cujo movimento poderia ser explicado pela mecânica desenvolvida por ele. Ainda no século XVII, entretanto, o holandês Christian Huygens defendeu a ideia de que a luz seria uma onda, como o som.

Seria justo pensar que, no caso da luz ser formada de partículas, elas seriam atraídas pela gravidade. Assim, a luz deveria ter uma velocidade mínima para “fugir” de um determinado campo gravitacional, como todos os outros corpos – tal velocidade é conhecida como velocidade de escape. A da Terra, por exemplo, é de 11 km/s.

No século XVII, Roemer chegou a um valor finito para a velocidade da luz: 225.000 km/s (o valor aceito atualmente é de 300.000 km/s). Uma das consequências de a luz ter uma velocidade finita seria que, se existisse no Universo um objeto cuja densidade provocasse uma velocidade de escape maior que a da luz, seria impossível que ela saísse da sua atração gravitacional. Se esse objeto fosse uma estrela, a luz gerada por ela voltaria para si própria, e se a olhássemos da Terra, veríamos apenas uma região negra no espaço.

A primeira descrição explícita de tal proposta pode ser creditada a John Michell (1783). O marquês de Laplace, de maneira independente, descreveu tal fenômeno nas duas primeiras edições de seu livro O Sistema do Mundo. Nas edições seguintes, no entanto, deixou essa proposta de fora – muito provavelmente devido à bem sucedida experiência do inglês Thomas Young, que demonstrou o caráter ondulatório da luz.

Em 1915, Albert Einstein publicou sua Teoria da Relatividade Geral, TRG, que, entre outras coisas, prevê que a luz deveria sofrer desvios ao se aproximar de campos gravitacionais intensos, como o provocado pelo Sol. A suposta comprovação dessa hipótese ocorreu em 1919, quando foram feitas fotografias durante um eclipse solar na cidade cearense de Sobral.

Apenas um ano depois da publicação da TRG, Karl Schwarzschild utilizou essa teoria para obter soluções matemáticas que apontavam para o que hoje pode ser chamado de buraco negro. Inicialmente, este resultado não convencia o próprio Einstein; pare ele, a solução obtida não tinha uma realidade física.

Em 1939, o norte-americano Robert Oppenheimer usou a TRG para descrever o que aconteceria com a luz em um campo gravitacional intenso o suficiente para provocar seu desvio: ao passar por uma estrela bem mais densa que o Sol, a luz seria encurvada em direção à ela. Quando a densidade da estrela fosse grande suficiente, a trajetória da luz seria tão perturbada em direção à estrela que ela não conseguiria mais escapar deste campo gravitacional, ficando “aprisionada” dentro dele ao atravessar uma espécie de fronteira. Esse limite de aproximação de um corpo celeste é conhecido como horizonte de eventos, termo cunhado em 1950 pelo austríaco Wolfgang Rindler.

Como, de acordo com a Teoria da Relatividade Restrita, TRR, de Einstein, publicada em 1905, nada pode viajar mais rápido que a luz, então nenhum corpo poderia fugir deste tipo de campo gravitacional; tudo que passasse pela vizinhança da estrela seria tragado por seu incrível poder de curvar o espaço-tempo.

Como nada poderia sair de dentro do campo gravitacional, quando a região em questão fosse observada da Terra, nós veríamos apenas um espaço escuro – o termo buraco negro, entretanto, só seria cunhado em 1969, pelo norte-americano John Wheeler.

Muito se aprendeu sobre esses objetos celestes desde o artigo de Michell, inclusive que eles são mais comuns do que poderiam imaginar os pioneiros em sua proposta de existência. Recentemente, um satélite mapeou uma pequena região do céu e identificou mais de 1.500 candidatos a buracos negros.

Nem todos os buracos negros são iguais. Eles podem ser divididos em dois grupos, dependendo de sua origem e massa: os buracos negros estelares - com massas de até sete vezes a massa do nosso Sol - e os supermaciços, que se acredita estarem no centro de galáxias e possuírem massa da ordem de milhões de vezes a massa do Sol.

Para entender a origem dos buracos negros estelares, temos que retornar à década de 1930. No fim desta década, o alemão Hans Bethe propôs um possível mecanismo para a grande quantidade de energia liberada pelo Sol e outras estrelas - tal mecanismo hoje é conhecido como fusão nuclear. A grosso modo, consiste na fusão de átomos menores (como os de hidrogênio) em átomos maiores (como os de hélio), liberando, como resultado, a energia que recebemos do Sol e das outras estrelas.

As estrelas se mantêm estáveis durante um bom tempo, apesar de sua massa tender a se colapsar devido à atração gravitacional. Este colapso só não ocorre porque a energia liberada pelas reações de fusão equilibra a força gravitacional. Porém, quando o nível de hidrogênio diminui além de um limite, começa a haver um desequilíbrio entre as duas forças.

Quando uma estrela não faz parte de um sistema binário ou múltiplo, seu destino só depende de sua massa inicial. Se ela estiver entre 0,8 e 10 vezes a massa do nosso Sol (massa solar), quando o combustível diminui até um ponto crítico, a estrela se expande na forma de uma super gigante, ejetando grande parte de sua massa em uma nebulosa planetária. O que resta é conhecido como anã branca, um corpo com massa da ordem de 0,6 massas solares e raio em torno de 10.000 km.

Quando a massa inicial da estrela é de 10 a 25 massas solares, após o seu hidrogênio diminuir até o ponto crítico, a estrela explode em uma supernova. O que fica em seu lugar é chamado de estrela de nêutrons, que tem massa de aproximadamente 1,4 vezes a massa do Sol e raio na ordem de 20 km.

Finalmente, quando a massa da estrela inicial for maior que 25 vezes a massa do Sol, após explodir em uma supernova, ela se torna um buraco negro estelar – que tem sua origem em uma estrela muito maciça. Este tipo de buraco negro tem massa de até 7 vezes a massa do Sol e seu horizonte de eventos é da ordem de 1 km.

A descrição física dos buracos negros e dos efeitos causados por eles no espaço-tempo pode ser vista com detalhes no artigo Buracos nem tão negros assim, escrito por Felipe Damasio e Sabrina Moro Villela Pacheco, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. O texto, publicado na Física na Escola, v. 10, n. 1, 2009, apresenta uma abordagem histórica dos conceitos relacionados aos buracos negros, desde as primeiras ideias sobre o tema até as recentes descobertas do cientista inglês Stephen Hawking e as atuais pesquisas no LHC. Entre as curiosidades encontradas no artigo, uma fábula que ensina como resgatar uma pessoa de um buraco negro!

Fonte: http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/Artigos/Buracos-negros