UMA HISTÓRIA DO ELETROMAGNETISMO COM EXERCÍCIOS COMENTADOS

Introdução

A palavra magnetismo tem sua origem na Grécia Antiga, porque foi em Magnésia, antiga cidade grega, que se observou um minério com a propriedade de atrair objetos de ferro. Tal minério ficou conhecido por magnetita.

Na verdade, hoje se sabe que eletricidade e magnetismo são aspectos do mesmo fenômeno, o eletromagnetismo. Uma característica importante os distingue: no magnetismo não existe conceito equivalente à carga elétrica, embora exista o conceito de polo magnético com propriedades parecidas às da carga elétrica; enquanto na eletricidade existem cargas elétricas opostas, positivas e negativas, e partículas elementares portadoras dessas cargas, no magnetismo não há polos magnéticos isolados nem partículas portadoras de polos magnéticos.

Isso se evidencia por um fenômeno simples: a divisão de qualquer ímã sempre dá origem a outros ímãs, por menor que eles sejam. Mas, da mesma forma que em torno de um corpo eletricamente carregado existe um campo elétrico, na região onde há um ímã há também um campo magnético. Por essa razão, o estudo dos ímãs é o ponto de partida do nosso estudo do eletromagnetismo.

Descoberta do magnetismo

Da mesma forma que os fenômenos elétricos resultantes da atração do âmbar, a atração magnética exercida pela magnetita sobre o ferro foi explicada pela primeira vez no século VI a.C. por Tales de Mileto. Como o âmbar, a magnetita também teria uma espécie de alma - podia comunicar sua vida ao ferro inerte, que, por sua vez, também adquiria um poder de atração.

Durante os séculos que se seguiram as explicações foram semelhantes. O magnetismo se devia a eflúvios, algo semelhante a um perfume que emanaria do ferro e da magnetita, fazendo com que eles se atraíssem. A própria palavra ímã surgiria mais tarde do termo francês aimant, que, sugestivamente, significa "amante".

Provavelmente os chineses conheciam o magnetismo há mais tempo do que os gregos. E, certamente, foram os primeiros a descobrir aplicações para esse fenômeno. No início da era cristã, adivinhos chineses já utilizavam a "colher que aponta para o sul". Era uma colher de magnetita, que, colocada em equilíbrio sobre um pino podia girar livremente na horizontal. 

Em qualquer situação, ela sempre apontava o seu cabo para o sul.

No século VI, os chineses já tinham tecnologia suficientemente avançada para a fabricação de ímãs. Usavam dois processos diferentes. Um muito simples e ainda hoje comum: esfregar um ímã numa agulha de ferro ou aço faz com que ela se torne também um ímã. Em outro processo, mais elaborado e hoje em dia em desuso, colocavam agulhas ou pedaços de ferro incandescentes na direção norte-sul do campo magnético terrestre. Ao esfriarem, esses corpos tornavam-se também ímãs. Com essas agulhas imantadas, eles construíam as suas bússolas. No início, essas bússolas serviam apenas para fazer mágicas ou para orientar a posição em que um edifício devia ser construído. Só a partir dos séculos X ou XI é que os chineses começaram a utilizá-las para a navegação.

Só no século XIII começaram a surgir observações mais acuradas sobre o magnetismo e a eletricidade. A primeira e mais importante na época foi a compreensão de que eram fenômenos de natureza diferente, o que prevaleceu até o século XIX.

Embora atrasados em relação aos chineses na utilização da bússola para a navegação, foram os europeus que realizaram o primeiro estudo experimental do magnetismo de natureza científica. Em 1269, Pierre de Maricourt, engenheiro militar francês, numa carta a um amigo, descreve a maioria das experiências elementares sobre magnetismo, que aparecem até hoje nos livros escolares de ciências. Foi ele quem denominou polo norte e polo sul as extremidades de um ímã, baseando-se na orientação natural da bússola. Observou, ainda, que a agulha da bússola não apontava exatamente para o norte geográfico da Terra. Maricourt fez outras descobertas importantes: se aproximarmos dois ímãs pelos seus polos de mesmo nome, eles se repelem;

• se os aproximarmos pelos polos opostos, eles se atraem;

•  um ímã partido mantém a polaridade do ímã original;

• cada divisão de um ímã dá origem a outros ímãs.

Só em 1600, mais de três séculos depois, o trabalho experimental de Maricourt foi retomado por Gilbert, que procurou refazer essas experiências e revisar as explicações de outros autores. Gilbert reuniu suas conclusões no livro De Magnete, um dos primeiros clássicos da literatura científica. Descobriu a imantação por indução - quando um pedaço de ferro, colocado perto de um ímã, também se imanta, mesmo sem encostar um no outro. Foi provavelmente o primeiro a sugerir que a Terra seria um grande ímã. Para ilustrar sua ideia, construiu um ímã em forma de esfera, denominado Terrella, que simulava a ação magnética da Terra. Colocando pequenas bússolas sobre essa esfera demonstrou e explicou a propriedade da bússola de apontar sempre para o norte geográfico.

Depois da publicação do De Magnete, pouco foi acrescentado ao estudo do magnetismo, até o início do século XIX. Havia indícios de que, mesmo vistos como fenômenos diferentes, a eletricidade e o magnetismo se relacionavam de alguma forma. A descoberta dessa relação, porém, só veio a ocorrer depois do aparecimento da pilha de Volta, que oferecia uma fonte mais duradoura de eletricidade, permitindo o aprofundamento do seu estudo. 

Observação: Monopolos magnéticos

As buscas de partículas portadoras de um único polo magnético, que chegaram a ser previstas teoricamente, tanto em laboratório, com a utilização de aceleradores de partículas, como em sedimentos retirados do fundo do mar ou de rochas lunares, foram até hoje infrutíferas.

Características dos ímãs

Ímãs são corpos de materiais ferromagnéticos com a propriedade de atrair outros materiais ferromagnéticos e de atrair ou repelir outros ímãs. 

Observação: As diferentes formas de magnetismo e o ponto de Curie

A rigor não existe material magnético. Existem materiais ferromagnéticos, paramagnéticos, diamagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos. Um material ferromagnético é o que, em geral, se costuma chamar de magnético. Corpos desses materiais são atraídos por ímãs feitos de ferro, níquel, cobalto e inúmeras ligas que os contém. Colocados sob a ação de um campo magnético externo, corpos desses materiais também tornam-se ímãs.

Há uma temperatura limite para que um material se mantenha ferromagnético - o ponto Curie, denominação dada Há uma temperatura limite para que um material se mantenha ferromagnético - o ponto Curie, denominação que homenageia Pierre Curie (1859-1906), físico francês que a descobriu. Acima dessa temperatura, todo material ferromagnético torna-se paramagnético. 

Corpos de materiais paramagnéticos também são atraídos por ímãs, embora muito fracamente. Além dos materiais ferromagnéticos, acima do ponto Curie, são exemplos de materiais paramagnéticos o paládio, a platina, o sódio, o potássio e algumas ligas de ferro. Corpos de materiais diamagnéticos são repelidos pelos ímãs, qualquer que seja o polo pelo qual são aproximados. É um efeito fraco, característico da prata e do bismuto, embora exista em toda espécie de matéria, de forma praticamente imperceptível. 

Um fenômeno conhecido como diamagnetismo perfeito, característico de alguns materiais supercondutores, faz com que pequenos ímãs flutuem sobre eles. O diamagnetismo perfeito do disco supercondutor resfriado com nitrogênio líquido faz o ímã, colocado acima dele flutuar. 

O antiferromagnetismo e o ferrimagnetismo são propriedades semelhantes entre si, de natureza mais complexa. São exemplos destes materiais o cromo, o manganês e, particularmente, a ferrita, substância constituída por materiais ferromagnéticos e diversos óxidos de níquel, de cobalto, de zinco, entre outros. 

Essa propriedade permite dar ao material formas de magnetização previamente projetadas para a constituição de componentes eletrônicos específicos.

Embora existam ímãs das mais diferentes formas, todos eles têm dois polos distintos bem localizados: o polo norte e o polo sul. E, como ocorre com as cargas elétricas, pólos de mesmo nome se repelem e polos opostos se atraem. Pode-se localizar os polos de um ímã colocando-o junto à limalha de ferro. Ela será atraída, concentrando-se nos polos, ou seja nos polos de um ímã a concentração de limalha de ferro é muito maior.

Não é apenas a forma geométrica de um ímã que define a localização dos seus polos: ela depende também da maneira como os ímãs adquirem o seu magnetismo. Mas os polos sempre se opõem entre si em relação a um plano ou a uma superfície de simetria.  

As linhas tracejadas indicam possíveis planos ou superfícies de simetria entre regiões de polos opostos de ímãs de diferentes formas. Em ímãs naturais, como as pedras de magnetita, a posição dos polos depende da orientação do campo magnético terrestre na ocasião em que esse mineral se solidificou. 

Em ímãs artificiais, a posição dos polos é determinada pelo processo de magnetização utilizado. Por exemplo: Esfrega-se um corpo num só sentido com um ímã por um de seus polos; Faz-se um corpo passar pelo interior de um campo magnético muito intenso gerado por um ímã; Coloca-se um corpo no interior de um campo magnético gerado por uma corrente elétrica; Esquenta-se um material ferromagnético acima do ponto de Curie e deixa-se esfriar observando que ao se esfriar ele volta a ser um material ferromagnético se alinhando com as linhas de campo do magnetismo terrestre, desde que não haja influência de nenhum dos três processos citados anteriormente (esse último é o mesmo processo que ocorreu com a magnetização naturais dos ímãs).

A denominação dos polos de um ímã, norte e sul, está ligada à bússola e aos polos geográficos terrestres. Se um ímã pode mover-se livremente, o polo que aponta no sentido do Polo Norte geográfico da Terra é o polo norte. O polo oposto é o sul. Não se deve confundir polos geográficos - extremidades do eixo de rotação da Terra - com os polos magnéticos terrestres.

Como não existem polos magnéticos isolados, quando um ímã se quebra ou é cortado, dá origem a novos ímãs, cuja polaridade depende da forma como se partiram. Ímãs partidos dão origem a novos ímãs, cujos polos vão depender da forma como a divisão foi feita. Note que os novos ímãs podem atrair-se ou repelir-se.