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Por que uma carga em movimento irradia onda eletromagnética?

É sabido que uma carga em repouso gera um campo elétrico estático. Quando essa carga é acelerada, o campo elétrico gerado será variável. As linhas de força do vetor campo elétrico sofrem deformação com o movimento da carga; uma dobra nessas linhas gera uma deformação em forma de bolha esférica sendo inflada que afasta-se na velocidade da luz. O volume dessa bolha está todo preenchido pelo campo magnético. A energia eletromagnética se propaga de modo que os dois campos, magnético e elétrico, são ortogonais entre si, ou seja, seu vetor poynting não é nulo.

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Deformação nas linhas de campo elétrico em forma de bolha

O vetor poynting é uma grandeza vetorial que descreve o módulo, direção e sentido do fluxo de energia transportado por ondas eletromagnéticas e consequentemente, direção e sentido da propagação da onda, dado por S = (1/µ0)ExB. Este é normal a superfície da bolha e aponta para fora, o que garante que a bolha esteja em expansão. A região de fora da bolha ainda não sofreu nenhuma perturbação por conta do movimento da carga e as linhas do campo elétrico ali permanecem como inicialmente, antes da carga ser movimentada. Ou seja, não existe campo magnético nessa região ainda, de modo que o vetor poynting é nulo.

O campo elétrico variável gerado pela aceleração da carga produz por sua vez um campo magnético variável. O campo magnético variável gera um campo elétrico variável, conforme as equações de Maxwell. Essa sucessão de campos elétricos e magnéticos se alimentam mutuamente e essa perturbação eletromagnética com comportamento ondulatório se propaga pelo espaço de forma autônoma e independente da fonte que o criou, sem precisar de meio material para se propagar.

Louis Essen (1908 – 1997)

 

Louis Essen nasceu em 6 de setembro de 1908 em Nottingham, Reino Unido. Logo após se formar em física na Universidade de Nottingham, em 1928, ele passou a trabalhar no National Physical Laboratory com osciladores de cristal de quartzo para medir o tempo de forma rigorosa e precisa. Ele acabou desenvolvendo um relógio de anel de quartzo em 1938, dispositivo tão preciso que pode medir pequenas variações de velocidade de rotação da Terra.

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Louis Essen

Como vários outros físicos, Essen trabalhou durante a Segunda Guerra Mundial com projetos de radar, desenvolvendo vários instrumentos, um deles a cavidade ressonante, usado por ele mais tarde para se medir a velocidade da luz. Uma forma de se obter a velocidade da luz é medir independentemente a frequência e o comprimento de onda, já que c = λ.f, sendo a frequência mensurada a da onda eletromagnética e não da modulação imposta a onda. Em 1946, Louis Essen e AC Gordon-Smith determinaram a frequência de uma onda luminosa de uma cavidade ressonante de microondas com dimensões conhecidas, empregada para medir o comprimento de onda, por meio de sua experiência em medir o tempo de forma precisa. Conhecendo-se então a frequência e o comprimento de onda, a partir da geometria da cavidade, Essen e Gordon-Smith calcularam a velocidade da luz. O resultado obtido por eles foi 299.792 ± 9 km/s. Eles repetiram o experimento e obtiveram um resultado ainda mais preciso, 299.792 ± 3 km/s. Esse foi o valor mais preciso do que qualquer outra técnica ótica de medida pode alcançar até então, deixando pra trás o 299.796 ± 4 km/s obtido por Albert Michelson através dos seus experimentos com espelhos. Entretanto, ele não se contentou com esse resultado e persistiu em refinar seu aparato e aperfeiçoar sua técnica até que em 1950, ele obteve o resultado de 299.792,5 ± 1 km/s. Esse foi o valor adotado em 1957 para a velocidade da luz pela 12ª Assembleia Geral da Radio-Scientific Union. Em 1983, o valor adotado passou a ser 299.792,458 km/s. Depois disso, Essen voltou para seus estudos de cronometragem.

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Essen no National Physical Laboratory

Essen trabalhou sua vida toda no National Physical Laboratory, até se aposentar em 1972. Ele faleceu em 24 de agosto de 1997, em Great Bookham, Surrey.

Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894)

Heinrich Rudolf Hertz nasceu em 22 de fevereiro de 1857, em Hamburgo, no norte da Alemanha. Foi o primeiro filho de Gustav Hertz e Anna Elisabeth Pfefferkorn. Gustav Hertz era judeu, mas se converteu ao luteranismo e Anna, filha de um médico Frankfurt, veio de uma família luterana, de modo que Heinrich foi criado como um luterano. Aos 6 anos de idade, Hertz iniciou seus estudos na escola privada dirigida por Richard Lang, conhecido por ser rigoroso. Durante a adolescência, ele se mostrou habilidoso com trabalhos em madeira e mais tarde, adquiriu um torno com o qual começou a produzir aparelhos que usou para o estudo da física.  Hertz iniciou seus estudos em engenharia na Universidade de Dresden, porém em 1877 transferiu-se para a Universidade de Munique. Lá, sentia-se dividido entre a engenharia e a física. Mudou-se novamente, dessa vez para Berlim, e por fim se graduou nas duas carreiras e se doutorou em filosofia. Em Berlim,

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Heinrich Hertz

Hertz foi aluno de Hermann von Helmholtz e Gustav Kirchhoff. Helmholtz propôs a ele o que havia proposto a Academia de Ciências de Berlim: encontrar evidências experimentais a favor ou contra os pressupostos da teoria de James Maxwell, que provou matematicamente a existência das ondas eletromagnéticas. Apesar de seu interesse, Hertz acabou recusando e dedicou-se a apresentação de seu doutorado. Depois disso, ele foi então empregado como assistente de Helmholtz no Instituto de Física de Berlim. Durante os três anos (1880-83) que Hertz trabalhou no Instituto, ele escreveu quinze artigos sobre diversos temas, a maioria relacionados com eletricidade. Com as recomendações de Helmholtz, Hertz foi admitido como professor de física teórica na Universidade de Kiel em 1833. Entretanto, lá não haviam laboratórios físicos equipados para pesquisa, principal motivação para sua transferência 2 anos depois, porém foi lá que escreveu seu primeiro trabalho sobre as teorias de Maxwell. Em Karlsruhe, Hertz se casou e começou a trabalhar no problema que Helmholtz havia proposto para a Academia de Ciências de Berlim, em 1879.

Através de um circuito constituído por um condensador, duas bobinas e um circuito elétrico, Hertz percebeu que a cada faísca que se produzia, aparecia uma correspondente na outra bobina colocada em frente a primeira. Ele passou a usar então, um oscilador linear, e percebeu que a descarga nos braços do oscilador era variável e possuia uma frequência que dependia das características geométricas do oscilador. Após constatar a criação de ondas eletromagnéticas e sua propagação à distância, Hertz se dedicou as propriedades dessas ondas e verificou que estas se comportam de maneira semelhante às ondas luminosas, podendo sofrer reflexão, refração e polarização, e possuem a velocidade da luz. Seus resultados foram apresentados a comunidade científica em 1888.

Apesar de ter sido convidado a ir à Berlim como um substituto para Kirchhoff, Hertz acabou aceitando um cargo de professor na Universidade de Bonn, em 1889. Ele sofreu os primeiros sinais de seus problemas de saúde antes mesmo de se mudar para Bonn. Morreu em 1 de janeiro de 1894, em Bonn.