FORÇA ELÉTRICA E FORÇA MAGNÉTICA
O efeito âmbar, isto é, a propriedade de atrair corpos leves que o âmbar adquire ao ser atritado, já era conhecida há mais de 2 000 anos. Praticamente na mesma época observou-se também que certas pedras — os ímãs naturais — atraíam pedaços de ferro.
Durante muito tempo julgou-se que estes dois fenômenos eram de mesma natureza, ou seja, acreditou-se que ambos eram devidos a uma mesma propriedade dos corpos materiais. Ainda na antiguidade, entretanto, percebeu-se uma grande diferença entre estes fenômenos: o âmbar atritado exercia sua atração sobre vários outros corpos, enquanto o ímã só atraía pedaços de ferro. Portanto, estas atrações não deviam ser confundidas entre si, pois correspondiam a fenômenos diferentes. Em nossa linguagem atual, esta verificação é traduzida dizendo-se que o âmbar atritado exerce uma força elétrica e o ímã exerce uma força magnética.
Vamos, a seguir, mostrar de maneira sucinta como evoluiu historicamente o estudo dos fenômenos relacionados com o efeito âmbar, isto é, o estudo dos fenômenos elétricos.
IDEIAS INICIAIS SOBRE A ORIGEM DA FORÇA ELÉTRICA
Em todas as referências aos fenômenos elétricos feitas pelos filósofos da Antiguidade, encontramos sempre uma tentativa de explicação da origem das forças elétricas. Estas explicações apresentavam as mais diversas formas, sendo algumas teológicas e até mesmo psíquicas. Muitos filósofos atribuíam a atração a uma simpatia entre os corpos que se atraíam e outros acreditavam que os corpos atraídos serviam de alimentos para o âmbar.
Uma outra explicação das atrações elétricas, muito divulgada na Antiguidade, apresentava um caráter mecânico (ou material). Os defensores desta hipótese julgavam que o âmbar atritado emitia uma substância invisível, à qual denominavam eflúvio. Esta substância estabeleceria um contato material entre o âmbar e um objeto próximo, provocando sua atração.
Durante a Idade Média, predominou a antiga hipótese de que a atração era devida a uma simpatia entre os corpos. Entretanto, a impossibilidade de explicar vários fenômenos elétricos a partir desta ideia fez com que os cientistas do Renascimento (séculos XV e XVI) voltassem sua atenção para a hipótese material do eflúvio.
GILBERT PUBLICA O DE MAGNETE
No século XVI, o médico inglês W. Gilbert desenvolveu um estudo detalhado sobre os fenômenos elétricos e magnéticos publicando, em 1 600, um extenso tratado denominado De magnete, no qual apresentava os resultados de suas observações. Um dos capítulos desta obra era dedicado exclusivamente ao efeito âmbar.
Gilbert conseguia detectar a existência de forças elétricas muito pequenas usando um aparelho que ele inventou e ao qual denominou versorium. Este aparelho consistia em uma seta de madeira suspensa em um suporte vertical em torno do qual ela podia girar livremente.
Se a seta girasse quando um corpo atritado era aproximado de sua extremidade, concluía-se que o corpo estava apresentando o efeito âmbar (estava eletrizado). Como o versorium era um aparelho muito sensível, Gilbert conseguiu verificar que um grande número de substâncias atritadas adquiria aquela propriedade, e não apenas o âmbar, como se acreditava até então. Ele descreve esta descoberta no De magnete da seguinte maneira:
"Pois não é apenas o âmbar, como eles supõem, que atrai pequenos corpos, mas também o diamante, a safira, a opala, a ametista, o cristal etc. Estas substâncias atraem todas as coisas, não somente penas e limalhas, mas todos os metais, madeira, pedra, terra e também a água e o azeite e tudo o que está sujeito a nossos sentidos e é sólido..."
Para explicar a atração exercida por todas aquelas substâncias, Gilbert adotou a hipótese do eflúvio, rejeitando veementemente a ideia da simpatia entre os corpos que se atraíam.
Apesar do grande número de cuidadosas experiências realizadas por Gilbert, ele não chegou a observar a existência da repulsão entre dois corpos eletrizados. Como sabemos, quando um corpo leve é atraído por um objeto atritado, após tocar este objeto o corpo é repelido por ele. Este fenômeno só foi observado, pela primeira vez, alguns anos após a morte de Gilbert, pelo jesuíta italiano Nicolo Cabeo. Em virtude desta descoberta, a teoria do eflúvio teve de sofrer modificações, pois ela não era capaz de explicar o fenômeno da repulsão elétrica.
CONDUTORES E ISOLANTES
Após a publicação dos trabalhos de Gilbert, durante todo o século XVII vários cientistas preocuparam-se em realizar experiências com corpos eletrizados, usando preferencialmente tubos e esferas de vidro, material este que se mostrou bastante adequado para este tipo de experiências. No início do século XVIII, alguns experimentadores perceberam que era possível eletrizar um corpo ligando-o, por meio de um fio, a um outro corpo que tivesse adquirido eletricidade por atrito. O cientista francês François Dufay, analisando estas experiências, concluiu que a intensidade da eletrização do corpo por meio da ligação dependia do material de que era feito o fio. Ele chegou, então, à conclusão de que certas substâncias conduziam bem a eletricidade, enquanto outras não o faziam. Desta maneira, estavam sendo estabelecidos os conceitos de corpos condutores e corpos isolantes, tais como os conhecemos atualmente.
EXISTEM DOIS TIPOS DE ELETRICIDADE
Prosseguindo com o estudo da repulsão elétrica, que Cabeo havia iniciado, Dufay procurou dar uma explicação para o fenômeno. Ele supunha que um corpo atraído por outro eletrizado era repelido depois de tocá-lo porque se tornava também eletrizado. Concluiu, então, que dois corpos eletrizados sempre se repelem. Entretanto, esta ideia inicial de Dufay teve de ser modificada, pois ele mesmo observou, mais tarde, que um pedaço de vidro atritado com seda atraía um pedaço de âmbar atritado com pele, isto é, dois corpos eletrizados podiam se atrair. Baseando-se em um grande número de experiências, Dufay lançou, então, as bases de uma nova hipótese que teve grande aceitação durante todo o século XVIII. Segundo ele, existiam dois tipos de eletricidade: eletricidade vítrea, aquela que aparece em um pedaço de vidro atritado com seda, e eletricidade resinosa, aquela que aparece no âmbar atritado com pele (o termo resinosa foi usado por ser o âmbar uma resina). Todos os corpos que possuíssem eletricidade vítrea (ou resinosa) repeliam uns aos outros. Por outro lado, corpos com eletricidade de nomes contrários atraíam-se mutuamente.
A TEORIA DOS DOIS FLUIDOS ELÉTRICOS
Para explicar por que estes dois tipos de eletrização eram observados, lançou-se também a ideia da existência de dois fluidos elétricos: um fluido vítreo e um fluido resinoso. Em um corpo normal, não eletrizado, estes dois fluidos apresentavam-se misturados em igual quantidade. Ao atritar, por exemplo, o vidro com a seda, havia passagem, em igual quantidade, de fluido vítreo da seda para o vidro e de fluido resinoso do vidro para a seda.
Assim, o vidro apresentava-se com eletricidade vítrea porque passou a ter um excesso de fluido vítreo e a seda, que passou a ter um excesso de fluido resinoso, apresentava-se com eletricidade resinosa.
Portanto, de acordo com estas ideias, a eletricidade não era criada quando um corpo era atritado. Os fluidos elétricos já existiam nos corpos e havia apenas uma redistribuição destes fluidos quando os corpos eram atritados. Esta teoria passou a ser conhecida com o nome de teoria dos dois fluidos e com ela era possível explicar todos os fenômenos elétricos conhecidos na época.
A TEORIA DO FLUIDO ÚNICO DE BENJAMIN FRANKLIN
No decorrer do século XVIII, as experiências com corpos eletrizados tornaram-se muito populares e eram realizadas em praças públicas, mesmo por pessoas leigas, apresentando resultados espetaculares que atraíam a atenção de um grande público. Foi ao assistir a um desses espetáculos que o cientista americano Benjamin Franklin se interessou pelo estudo dos fenômenos elétricos. Este cientista realizou um número muito grande de experiências que contribuíram significativamente para o desenvolvimento da eletricidade.
Uma importante contribuição de Franklin, apresentada na mesma época em que a teoria dos dois fluidos era amplamente divulgada na Europa, foi a formulação de uma outra hipótese, denominada teoria do fluido único, de acordo com esta teoria os corpos não eletrizados possuíam uma quantidade normal de um certo fluido elétrico. Quando um corpo era atritado com outro, um deles perdia parte de seu fluido, que era transferida para o outro. Como Franklin não conhecia a terminologia usada por Dufay, ele criou sua própria nomenclatura, dizendo que o corpo que recebia o fluido elétrico ficava eletrizado positivamente e aquele que perdia o fluido ficava eletrizado negativamente. Esta terminologia, como sabemos, é usada até hoje e corresponde, respectivamente, aos termos eletricidade vítrea e eletricidade resinosa, usados por Dufay.
AS TEORIAS DOS FLUIDOS E AS IDEIAS MODERNAS DE ELETRIZAÇÃO
Do mesmo modo que na teoria dos dois fluidos, a teoria de Franklin previa a conservação da carga elétrica, isto é, a eletricidade não é nem criada nem destruída no processo de eletrização: ela já existe nos corpos e simplesmente se redistribui entre eles quando são atritados. Estas duas teorias da eletrização mostraram-se igualmente satisfatórias para explicar os fenômenos elétricos conhecidos na época (século XVIII). Deste modo, não foi possível optar por uma delas e os cientistas usavam ora uma, ora outra, de acordo com suas conveniências.
É interessante observar que a teoria dos dois fluidos está mais próxima das ideias modernas no que se refere à constituição elétrica da matéria. De fato, sabemos atualmente que existem dois tipos de cargas elétricas nas partículas que constituem um corpo material. Entretanto, a teoria do fluido único de Franklin está mais de acordo com os conhecimentos atuais na explicação do processo de eletrização por atrito. Realmente, de acordo com as teorias modernas, apenas um tipo de carga elétrica transfere-se de um corpo para outro quando eles são atritados. Deve-se destacar, porém, que, segundo Franklin, a carga transferida durante o atrito era a carga positiva (pela transferência do fluido único), enquanto que, de acordo com as ideias modernas, são os elétrons que se transferem de um corpo para outro e sabemos que eles transportam carga negativa.
AS EXPERIÊNCIAS DE COULOMB COM A BALANÇA DE TORÇÃO
Até a época dos trabalhos de Franklin e Dufay (meados do século XVIII) apenas os aspectos qualitativos dos fenômenos elétricos tinham sido abordados. Os cientistas sentiam que, para o progresso dos estudos relacionados com a eletricidade, era necessário estabelecer relações quantitativas entre as grandezas envolvidas naqueles fenômenos.
Em particular, houve uma preocupação em relacionar quantitativamente a força elétrica, F, entre dois corpos, com a distância, r, entre eles. Percebendo que havia uma certa semelhança entre a atração elétrica e a atração gravitacional (cujo estudo já havia sido desenvolvido por Newton), alguns físicos, no final do século XVIII, lançaram a hipótese de que a força elétrica poderia, também, variar com o inverso do quadrado da distância entre os corpos, isto é, F ∝ l/r². Entretanto, era necessário que fossem realizadas medidas cuidadosas para verificar se esta hipótese era verdadeira.
Entre os diversos trabalhos que foram desenvolvidos pelos cientistas com este objetivo, destacam-se as experiências realizadas por Coulomb que, em 1785, apresentou à Academia de Ciências da França um relatório de seus trabalhos. Coulomb construiu um aparelho, denominado balança de torção, com o qual ele podia medir diretamente as forças de atração e repulsão entre corpos eletrizados. A figura apresenta uma cópia do desenho desta balança, feito pelo próprio Coulomb no relatório enviado à Academia de Ciências.
Observe, no desenho, que duas esferas estão equilibradas nas extremidades de uma haste horizontal, suspensa por um fio. A esfera a está eletrizada e uma esfera b, também eletrizada, é aproximada de a. Em virtude da força elétrica que se manifesta entre a e b, a haste gira, provocando uma torção no fio. Medindo o ângulo de torção do fio, Coulomb conseguia determinar o valor da força entre as esferas. Uma balança semelhante a esta foi usada, aproximadamente na mesma época, por Cavendish, para comprovar a lei da Gravitação Universal e para medir o valor da constante de gravitação G. As balanças de torção permitem realizar medidas de alta precisão. Com sua balança, Coulomb conseguia medir forças de até 10⁻⁸ N!
OS RESULTADOS OBTIDOS POR COULOMB
Realizando medidas com as esferas separadas por diversas distâncias, Coulomb verificou que, realmente, a força elétrica era inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Além disso, ele concluiu também que esta força era proporcional ao produto das cargas elétricas das esferas, chegando, assim, à expressão definitiva da lei que leva seu nome. Este fato se revestiu de grande importância, uma vez que a lei de Coulomb foi a primeira lei fundamental estabelecida no campo da Eletricidade. No decorrer dos séculos XIX e XX, um grande número de novos fenômenos elétricos foi estudado e novas leis foram estabelecidas, provocando um notável progresso desta área da ciência.
Forte abraço,
Prof. Sérgio Torres
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Prof. Sérgio Torres