Caleidoscópio
10/04/2018

Um prego longo, um fio de cobre (esmaltado, de preferência), uma pilha grande e um pouco de fita adesiva: isso é tudo o que você precisa para construir um ímã caseiro. Sim, um ímã!

A receita é simples. Corte aproximadamente 1 metro do cobre e enrole-o ao longo do prego, de modo a criar uma única camada de fio. Retire o esmalte isolante das pontas do fio e prenda cada uma delas a uma extremidade da pilha, usando a fita adesiva. Pronto! Seu pequeno dispositivo já é capaz de atrair objetos magnéticos leves, como moedas e clips. Apenas tome cuidado para não manter as extremidades ligadas à pilha por muito tempo, pois isso a desgasta e o fio pode eventualmente superaquecer. (Para um passo-a-passo mais detalhado, consulte as sugestões ao final do texto.)

Dois conceitos importantes:

(1) Hoje sabemos que uma corrente elétrica é um movimento ordenado de cargas elétricas (partículas carregadas), que transportam energia. É o que sai da sua tomada ou de pilhas e baterias, capaz de fazer aparelhos elétricos funcionarem.

(2) De maneira bem simples, você pode entender um campo magnético como uma região do espaço que é capaz de interagir com ímãs e objetos magnéticos, atraindo-os, repelindo-os ou simplesmente orientando-os (fazendo-os girar). Nas proximidades de um ímã, sempre surge um campo magnético.

Mas por quê?

A montagem descrita acima é o que se chama de eletroímã, ou seja, um ímã obtido a partir da eletricidade. O fundamento físico por trás dos eletroímãs é o fato de que toda e qualquer corrente elétrica(1) que flui através de um condutor (um fio metálico, por exemplo) cria um campo magnético(2) em suas proximidades. Esse fenômeno foi descoberto em 1820 pelo físico dinamarquês Hans Christian Öersted (1777 - 1851), que observou que uma bússola posicionada abaixo de um fio por onde passava corrente se orientava formando um ângulo reto com o fio. Como já se sabia que as bússolas tendem a se alinhar com campos magnéticos, Öersted concluiu, corretamente, que a corrente no fio havia produzido magnetismo ao seu redor.

Figura 1: Ilustração do experimento de Öersted. Retirado de uma obra de 1876, de Agustin Privat-Deschanel.

Talvez tal descoberta pareça pouco relevante, mas, na verdade, esse foi o primeiro passo rumo ao surgimento do eletromagnetismo. Com efeito, era uma época em que ainda não se entendia bem a natureza dos fenômenos elétricos e magnéticos. A eletricidade era observada desde a antiguidade como uma propriedade de certos materiais atritados, que se tornavam capazes de atrair pequenos objetos. Já no século XVIII, descobriu-se que ela se relacionava com os relâmpagos e os movimentos musculares de animais, e em 1799 o italiano Alessandro Volta (1745 - 1827) criou a chamada pilha voltaica, a tataravó das baterias atuais. Quanto ao magnetismo, já era antigo o conhecimento de que certos minerais tinham a capacidade de atrair o ferro, e navegadores chineses e europeus utilizavam a bússola para se orientar em alto-mar desde séculos passados. (As bússolas funcionam porque se alinham com o campo magnético próprio da Terra, o qual segue aproximadamente a direção norte-sul geográfica.) Esses dois conjuntos de fenômenos eram pouco compreendidos pelos contemporâneos de Öersted, cujo experimento trouxe a primeira forte evidência de que havia uma íntima relação entre eles, dando um impulso para que os pesquisadores da época investigassem o tema mais a fundo.

Figura 2: Ilustração da pilha de Volta. Retirado de uma obra de 1893, de Adolphe Ganot.

E eles investigaram...

É aí que entra em cena a figura do inglês Michael Faraday (1791 - 1867), um dos mais renomados físicos experimentais de todos os tempos. Mesmo sem uma formação acadêmica regular, Faraday conseguiu se dedicar à ciência depois de se tornar assistente de laboratório de um famoso cientista da época, Humphry Davy, hoje bem menos conhecido que ele. Sabendo das descobertas de Öersted, Faraday decidiu se empenhar na melhor compreensão da eletricidade, do magnetismo e da ainda obscura relação entre ambos. Passou então a realizar uma série de experimentos, e já em 1821 veio a sua primeira grande descoberta: após suspender um fio de cobre sobre um recipiente contendo mercúrio com um ímã em seu interior, Faraday fez passar uma corrente elétrica pelo fio, observando que este passava a girar em torno do ímã (veja o vídeo ao final do texto). Em essência, o que se havia criado ali era o primeiro motor elétrico da história! O fundamento descoberto era o de que, ao se combinar corrente elétrica e campo magnético, produz-se movimento - este é exatamente o princípio de funcionamento de qualquer motor elétrico moderno, como os de ventiladores, máquinas de lavar, veículos elétricos, etc. A explicação era relativamente simples, se fosse levada em conta a descoberta de Öersted: a corrente elétrica no fio gerava um campo magnético, que interagia com o campo do ímã e produzia o movimento. (Na verdade, ainda não se falava em campos magnéticos; apenas pode-se pensar que a eletricidade “criava” um ímã, e sabemos que dois ímãs bem posicionados tendem a atrair-se ou repelir-se, isto é, a movimentar-se.)

Recapitulando: após Öersted descobrir que corrente elétrica gerava magnetismo, Faraday generalizou a ideia e observou que corrente elétrica e magnetismo combinados produzem movimento. A pergunta aparentemente óbvia passava a ser: será possível criar eletricidade a partir do magnetismo?

Com mais trabalho duro, a resposta

Faraday continuou incansavelmente seus experimentos e, em 1831, encontrou a resposta. A descoberta ocorreu com uma montagem de duas bobinas (fios de cobre enrolados em círculos) próximas: a primeira com suas terminações ligadas a uma pilha e a segunda, a um galvanômetro (um dispositivo de laboratório que detecta a passagem de pequenas correntes elétricas). Mantendo o aparato exatamente como acabamos de descrever, Faraday não observou nada digno de nota: a segunda bobina, que não estava ligada a nenhuma fonte, não tinha corrente elétrica e o galvanômetro permanecia “zerado”. No entanto, as coisas ficavam interessantes quando o cientista ligava ou desligava a bateria: em ambos os casos, o ponteiro do galvanômetro se deslocava instantaneamente - ora em um sentido, ora em outro, retornando ao zero logo em seguida. Foi então que Faraday percebeu que, para obter corrente a partir de magnetismo, era preciso aplicar um campo magnético variável (que muda ao longo do tempo). Isto é, como já vimos, a corrente na primeira bobina produz um campo magnético nas proximidades; naturalmente, enquanto a corrente está sendo ligada ou desligada, tal campo é variável, e parecia razoável atribuir a esse estado de variação o surgimento da corrente na segunda bobina, já que, enquanto o circuito permanecia ligado, nada ocorria.

O que vimos surgir acima é um exemplo de hipótese científica: a de que um campo magnético variável aplicado em um condutor sempre faz surgir uma corrente elétrica nele. Faraday trabalhou arduamente nesta hipótese, testando-a de diferentes formas. Por exemplo, um de seus experimentos era muito parecido com o descrito anteriormente, mas a bateria era mantida ligada, e as bobinas eram aproximadas ou afastadas uma da outra: novamente, o galvanômetro registrava uma corrente na segunda bobina enquanto durava a aproximação ou o afastamento. Substituindo a primeira bobina (à qual se ligava a bateria) por um forte ímã, o efeito era o mesmo. Com uma série de evidências favoráveis, a hipótese de Faraday acabou se tornando a Lei de Faraday, ou Lei da Indução Eletromagnética, que pode ser enunciada qualitativamente (em linguagem atual) como: a variação do fluxo magnético em um circuito produz uma corrente elétrica induzida no mesmo. O significado preciso de “fluxo magnético” vai ser deixado de lado neste texto, mas tenha em mente que, em muitos casos, variar o campo magnético ou variar o fluxo são a mesma coisa.

E daí?

Figura 3: Experimento de Faraday da indução eletromagnética. Durante a aproximação da bobina A (onde circula corrente elétrica), o galvanômetro G detecta uma corrente induzida na bobina B. Retirado de uma obra de Arthur William Poyser, de 1892.

Além de ter sido de grande impacto para a ciência, a descoberta de Faraday tinha uma consequência prática imediata e importantíssima. Como vimos antes, era uma época em que a melhor fonte de corrente elétrica já inventada eram as pilhas voltaicas, ainda pouco potentes, o que restringia muito a gama de aplicações da eletricidade. Nesse sentido, a indução eletromagnética abria um novo horizonte: se um campo magnético variável produz corrente elétrica, então tudo o que se precisa para gerar eletricidade em altas escalas é de campos magnéticos suficientemente intensos e uma fonte de movimento. Eureka! Eis o princípio de funcionamento de quase todos os tipos de usinas elétricas modernas. O próprio Faraday criou o que se reconhece como o primeiro gerador elétrico: um disco de cobre girando entre os pólos norte e sul de um ímã, capaz de criar uma corrente num circuito externo. Perceba que, para que ocorra indução eletromagnética, é suficiente que haja movimento relativo entre um ímã e um condutor: não importa se o ímã gira enquanto o circuito permanece parado ou se ocorre o contrário. Os geradores modernos são construídos de maneira diferente do de Faraday, mas a essência ainda é a mesma: transformar movimento em corrente elétrica, usando para isso um campo magnético. Assim, só com a descoberta da indução foi possível que a eletricidade fosse gerada em largas escalas e transmitida por longas distâncias, tornando-se um elemento essencial da vida humana moderna.

E fez-se luz!

As descobertas experimentais de Öersted e Faraday, bem como de muitos outros cientistas - André-Marie Ampère, François Arago e Joseph Henry são alguns deles -, marcaram o nascimento do eletromagnetismo: a área da Física que tratava da relação entre fenômenos elétricos e magnéticos. Ainda demoraria algumas décadas para que o físico-matemático inglês James Clerk Maxwell (1831–1879) finalmente unificasse as duas classes de fenômenos em uma única teoria científica, sintetizando todas as leis empíricas (isto é, deduzidas experimentalmente) de seus antecessores em quatro equações. Desde então, eletricidade e magnetismo passaram a ser encarados como duas faces da mesma moeda, intrinsecamente ligadas, e explicadas pelos mesmos princípios básicos. O trabalho de Maxwell foi importante inclusive para a compreensão da natureza ondulatória da luz, e continha a semente das dúvidas que colocariam Einstein no caminho da teoria da relatividade, no século seguinte.

A história do eletromagnetismo é um belo exemplo do processo de construção do conhecimento científico. Veja que tudo começa com a observação: quando Öersted viu a bússola se movendo de maneira estranha, ele procurou explicar o que havia visto e, realizando sucessivos testes, concluiu que era a presença da corrente elétrica que provocava o fenômeno. Uma vez que parecia haver uma relação entre eletricidade e magnetismo, outros cientistas - com destaque para Faraday - se interessaram pelo assunto e passaram a realizar suas próprias investigações. Novos fenômenos “estranhos” foram observados e, com experimentos cada vez mais refinados, novas explicações surgiram, levando à formulação de leis empíricas. Finalmente, Maxwell, tendo estudado profundamente as descobertas anteriores, teve sucesso em reconhecer padrões nas ditas leis e sintetizá-las, utilizando uma avançada linguagem matemática. No meio do caminho, engenheiros e inventores aproveitaram o conhecimento que desabrochava e criaram máquinas que tiveram um profundo impacto sobre a humanidade. E foi assim que, movidos pela curiosidade e munidos do método científico, todos esses nomes fizeram crescer não só a tecnologia, mas também a nossa compreensão sobre a natureza que nos cerca.

Agradeço ao prof. Dr. Leonardo Paulo Maia, do IFSC/USP, pela revisão final ao texto.


Mais sobre o assunto:

Como construir um eletroímã (WikiHow)

Motor de Faraday (YouTube)

Indução eletromagnética (Brasil Escola)

Usinas elétricas (Mundo Educação)

Referências:

The birth of the electric machines: a commentary on Faraday (1832) ‘Experimental researches in electricity’

Michael Faraday - Wikipedia, the free encyclopedia

ROONEY, Anne. A história da Física. São Paulo: M. Books, 2013.



Categorias
Ciência e cotidiano
Como descobrimos coisas?
Mulheres na ciência
A arte de ensinar
Por que tudo acontece?
Do que tudo é feito?
O mundo dos números
O que nos faz vivos?
Um pouco de fantasia
Sobre
Um veículo de transmissão do conhecimento científico onde o principal foco é tentar expor esse conhecimento de maneira simples, acessível ao grande público, e com ênfase no que há de belo e interessante. Não deixemos morrer a nossa curiosidade!