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DESENVOLVIMENTO DOS CONCEITOS RELACIONADOS À ELETRICIDADE, AO
MAGNETISMO E AO ELETROMAGNETISMO NO SÉCULO XIX
Danilo dos Santos Gonçalves 1 Ernani Borges Ferreira 2
RESUMO
Este artigo expõe como aconteceu o desenvolvimento da eletricidade, do magnetismo e do eletromagnetismo no século XIX, destacando os principais colaboradores e as suas respectivas formulações. Observando que, inicialmente os estudos acerca da eletricidade e do magnetismo eram realizados de maneira independente, sem nenhum vínculo. Mais tarde, experimentos efetuados por vários cientistas comprovaram que os dois ramos da Física estavam intimamente ligados. A partir daí, os fenômenos elétricos e magnéticos passam a ser bem descritos por um ramo que se convencionou chamar de eletromagnetismo.
Palavras chave: Eletricidade, Magnetismo. Eletromagnetismo.
1 INTRODUÇÃO
São conhecidas quatros forcas de interação fundamentais, a saber: nuclear forte, eletromagnética, nuclear fraca e gravitacional. Dentre elas, a eletromagnética talvez seja aquela de que mais se tem conhecimento e domínio. O desenvolvimento do eletromagnetismo deu-se pela pesquisa e estudo de vários cientistas que tentavam explicar a origem dos fenômenos elétricos e magnéticos mais diversos possíveis. Todas as observações feitas até o século XVII, tanto no campo da eletricidade quando do magnetismo eram tratadas de maneira distinta, ou
1 Graduando do 4° período do curso de licenciatura em Física do IFMA-Campus Imperatriz. 2 Graduando do 4° período do curso de licenciatura em Física do IFMA-Campus Imperatriz.
seja, nenhum vínculo era encontrado nos fenômenos relacionados, os estudos dos pesquisadores eram desenvolvidos de maneira separada, isto é, havia uma clara distinção entre fenômenos elétricos e magnéticos. Então como explicar a perturbação sofrida por uma agulha imantada (bússola) quando um raio de origem elétrica caia nas proximidades?. A partir do século XIX, através de trabalhos de vários cientistas, pôde-se observar uma ligação entre fenômenos elétricos e magnéticos. A descoberta, em meados do século XIX, do físico dinamarquês Hans C. Oersted (1777-1851) de que um campo magnético (o de uma bússola, por exemplo) poderia ser perturbado pela presença de um campo elétrico traz uma nova forma de se interpretar os fenômenos elétricos e magnéticos.
Neste trabalho serão abordados os conceitos referentes à eletricidade e ao magnetismo, tal como foram concebidos, e ao eletromagnetismo destacando a participação dos principais responsáveis pela elaboração da teoria eletromagnética que se conhece atualmente.
2 FORMAÇÃO DOS CONCEITOS DA ELETRICIDADE E MAGNETISMO ANTES
DO SÉCULO XIX
Desde a Antiguidade até meados do século XVII não se conhecia muito sobre a eletricidade. O que se sabia a respeito da mesma eram registros da Antiguidade quando gregos relatavam que ao se atritar o âmbar 3 a um objeto, aquele adquiria o “poder” de atrair pequenos objetos.
Em 1550,nas descrições feitas pelo matemático italiano G. Cardano sobre os fenômenos elétricos e magnéticos, ele mostrou haver diferenças entre o âmbar e o imã natural. O físico britânico William Gilbert (1540-1603), por sua vez, realizando trabalhos semelhantes ao de Cardano no que diz respeito à distinção entre fenômenos elétricos e magnéticos, designou como elétricos os corpos que possuíam o mesmo efeito do âmbar e como não elétricos os que possuíam um efeito contrário. Gilbert determinou que corpos submetidos ao atrito emitiam uma substância
3 Substancia de aparência amarelada que provem da seiva escorrida das arvores que endureceu ao longo do séculos.
Uma invenção que iria impulsionar o desenvolvimento da eletricidade, no século XVIII, seria a chamada “garrafa de Leyden”. Criada em 1745 em trabalho conjunto do pastor polonês Ewald G. Von Kleist e do físico holandês Pieter Van Musschenbroek, a garrafa de Leyden tinha por objetivo armazenar uma quantidade razoável de eletricidade e era constituía de uma garrafa de vidro comum, tampada com uma rolha de cortiça e com as paredes internas e externas revestidas por uma fina lâmina metálica, cheia de água 5 até certo ponto, conforme se observa na Figura
Figura 1-Garrafa de Leyden Dessa forma, quando se eletrizava a garrafa de Leyden, através do gerador desenvolvido pelo engenheiro alemão Otto Von Guericke, as duas laminas que revestiam a garrafa eram eletrizadas com as mesmas quantidades de eletricidade, mas com sinais opostos. A construção de um instrumento que armazenasse eletricidade foi um grande avanço, no que diz a respeito ao desenvolvimento e ao aperfeiçoamento dos modernos capacitores atuais.
Outro conceito importantíssimo com relação à eletricidade é o de força elétrica, investigada primeiramente pelo químico inglês Joseph Priestley (1733-1804), que teoricamente fez uma analogia entre a força elétrica e a força gravitacional já desenvolvida na época.
Outro físico que apresentou trabalhos significativos em relação à força elétrica no século XVIII foi o Frances Charles Augustin Coulomb (1736-1806), que apresentou uma investigação experimental em 1785 com o auxílio da balança de torção. Coulomb, usando esferas carregadas, pôde medir a força de atração entre
5 Benjamin Franklin mostrou a garrafa que não precisava conter água, o que era realmente necessário era cobrir as partes internas e externas com um material condutor.
elas verificando que essa força entre as duas esferas é proporcional ao produto de suas cargas e inversamente proporcional ao inverso da distância entre as mesmas. Os estudos propostos por Coulomb deram significativa contribuição na analise dos fenômenos elétricos, dando uma analise quantitativa sobre a força elétrica.
- Concepções sobre magnetismo antes do século XIX
Os conceitos vigentes sobre magnetismo até o século XIX eram escassos. Em 1600, Gilbert contribuiu para o aperfeiçoamento do magnetismo com sua célebre obra De Magnete, em que relatava os fenômenos até então descobertos e incluía também suas próprias observações.
Segundo Gilbert, a atração entre um imã natural e o ferro era mútua. Gilbert não considerava a teoria do effluvium para explicar a atração magnética, mas sim a teoria de que o imã gera ao seu redor uma “esfera de influência”. Assim quando um metal era posto em contato com essa esfera de influência atraía e era atraído pelo imã.
A maior contribuição de Gilbert para o magnetismo foi mostrar que a Terra comportava-se como um grande imã e que a orientação apresentada pelas agulhas das bússolas era devido a essa característica.
3 A ELETRICIDADE DO SÉCULO XIX: A contribuição da pilha de Alessandro volta para a análise dos fenômenos elétricos
Um importante acontecimento referente aos avanços da pesquisa da eletricidade no século XIX está relacionado com a invenção da pilha de Volta. Assim chamada, pois o maior contribuinte foi o físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), que baseado nos estudos desenvolvido pelo físico Luigi Galvani (1737-1798) e também com suas próprias observações, desenvolveu aquilo que seria a primeira fonte 6 de corrente contínua (ou aproximadamente contínua) da história.
6 Já se tinha dispositivos que armazenavam eletricidade como a garrafa de Leyden, mas não ofereciam uma fonte de corrente aproximadamente contínua por um tempo considerável.
elétrica, ele dissipava uma energia que era proporcional a sua resistência e ao quadrado da intensidade da corrente. O primeiro dispositivo criado para medir a resistência elétrica foi inventado pelo físico inglês Samuel H. Christie (1784-1865) e idealizado por Charles Wheatstone, e é conhecido atualmente como ponte de Wheatstone. Em 1843 O físico Gustavo R. Kirchhoff (1824-1887) desenvolveu métodos para a solução de equações que descrevem circuitos elétricos que seriam conhecidas como as leis de Kirchhoff. São elas: a lei dos nós e a lei das malhas. Tais leis baseavam- se na conservação da carga e da energia.
Com a invenção da pilha de Volta, torna-se possível a aproximação da Química e da Física e o desenvolvimento do campo da eletricidade no que diz respeito às formulações de importantes conceitos, que até então não possuíam uma explicação válida e confiável.
4 O NASCIMENTO DE UM NOVO RAMO DA FÍSICA: O Eletromagnetismo
Desde a Antiguidade até o início do século XIX, já se comentava a relação entre os fenômenos de origem elétrica e magnética, mas nunca se dispunha de afirmações e experiências que comprovassem tal relação. Muitas vezes os fenômenos elétricos e magnéticos eram abordados como se não possuíssem nenhuma relação entre si.
Já era sabido que as bússolas dos navios eram afetadas pelos raios em tempestades em mar aberto, fato que foi possível graças às observações e experiências de Benjamin Franklin. Ele comprovou que os raios da atmosfera eram de mesma origem dos produzidos em laboratórios.
Graças ao desenvolvimento da pilha de Volta (pilha Voltaica), vários avanços manifestavam- se no campo da eletricidade. Dentre eles, citamos aquele devido físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) que, em 1820, constatou através de experimentos a ligação íntima entre eletricidade e magnetismo.
O experimento de Oersted consistia de uma fonte, a partir da no qual se fornecia corrente elétrica responsável pela formação dos efeitos elétricos, e de uma bússola geradora de efeitos magnéticos 7. O arranjo é mostrado na Figura 2.
Figura2-Experimento De Oersted
Observou-se nesse experimento que quando, se colocava um fio, atravessado por uma corrente continua, perpendicularmente à direção da agulha da bússola os efeitos provocados nela eram quase imperceptíveis. Mas quando se colocava o fio paralelamente à direção da agulha da bússola os efeitos eram notáveis, pois ela oscilava com força, segundo um ângulo reto com o fio.
A explicação para o comportamento diferente da agulha quando se colocava o fio eletrizado paralelamente e com ângulo reto em relação à mesma, é que a forca magnética é perpendicular à direção da agulha, enquanto no segundo caso, a agulha não sofria nenhuma deflexão haja vista ela já estava alinhada com a direção da força magnética. Quando se colocava o fio paralelamente à direção da agulha, esta tendia a se alinhar com a direção da força provocando efeitos perceptíveis.
As observações feitas por Oersted permitiram que outros cientistas dessem continuidade ao desenvolvimento do eletromagnetismo. O físico André Marie Ampère (1775-1836) observou que dois fios percorridos por correntes elétricas atraíam-se ou repeliam- se conforme a direção e sentido da corrente nos mesmos. Esses fios atraíam-se quando as correntes estavam na mesma direção e no mesmo sentido e se repeliam quando estavam na mesma direção, mas em sentidos contrários.
7 Note que não há referência ainda a campos elétricos e magnéticos por se tratarem de conceitos que serão elaborados por Michel Faraday (1791-1867) apenas em
magnéticos à certa distancia da fonte que os gerava. Além dessa duvida, outras também deixavam os pesquisadores impossibilitados de avançar em seus estudos, dentre elas: como descrever uma região onde se localiza uma carga elétrica ou um corpo imantado? Se existe tal perturbação do meio, como abordá-la corretamente? Esses e outros questionamentos circundavam ao redor do conceito de campo (elétrico ou magnético) desenvolvido por Michael Faraday, em que teve sua formulação em 1831. A formulação do conceito de campo está entre as maiores contribuições de Faraday para o eletromagnetismo. Faraday não possuía “intimidade” com as ferramentas matemáticas da época, talvez seja por isso que se tornou um dos maiores físicos quando se tratava de observação e analise de um determinado fenômeno.
Na metade do século XIX uma pergunta ainda estava sem resposta: por que na presença uma barra imantada limalhas de ferro formavam “linhas” entre as extremidades dessa barra?
Observa-se na Figura 4 as “linhas” produzidas por uma barra metálica imantada.
Figura 4-desenho esquemático da barra imantada
Faraday denominou de linhas de força esses filamentos que saíam de uma extremidade de uma barra imantada e entravam na outra. Dessa maneira, as limalhas de ferro apenas evidenciavam a presença dessas linhas de força.
Faraday determinou que o conjunto de todas as linhas de força determinaria um dos conceitos mais importante para a Física, o campo de uma força.
No exemplo exposto acima usou-se uma barra imantada de forma que o campo criado é o campo magnético. O mesmo efeito do surgimento das linhas de força seria notado ao utilizar um corpo eletrizado, mas o campo seria agora de natureza elétrica.
Observa-se, além disso, que o conceito de campo está vinculado a uma perturbação ou influência que uma fonte seja ela elétrica ou magnética cria ao seu redor. Essa região adquire, por sua vez, características específicas que antes não possuía. A intensidade do campo depende do ponto a ser analisado, assim evidenciando um caráter vetorial, que para ser bem definido é necessário indicar um sentido, uma direção e um valor numérico.
Uma questão levantada com relação aos resultados obtidos por Faraday era que o espaço onde se transmitia a interação não era vazio, ou seja, era preenchido com as linhas de força, as responsáveis pela interação. Essa concepção substituía a velha visão de ação à distância 8 difundida entre os cientistas da época.
Uma expressão que permitisse o cálculo do campo elétrico seria dada pelo físico-matemático escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) através de suas equações.
5 A UNIFICAÇÃO TEÓRICA DO ELETROMAGNETISMO: As quatro equações de Maxwell
A unificação dos conceitos referentes à eletricidade e ao magnetismo concretizou-se através de duas etapas. A primeira etapa foi puramente experimental e correspondia às experiências que Oersted e Faraday relacionando os fenômenos da eletricidade e do magnetismo. A segunda etapa da unificação composta de uma parte teórica e outra experimental. Trata-se de uma das mais belas e impactantes formulações da Física referentes ao eletromagnetismo.
Durante todo o desenvolvimento do eletromagnetismo sempre tentava-se enquadrar os resultados obtidos em algum modelo mecânico existente. O físico escocês James Clerk Maxwell tinha consciência de tal “perigo” para o desenvolvimento do eletromagnetismo e, como era extremamente habilidoso com os
8 Segundo essa teoria a interação se dava de maneira direta e instantânea, eera independente do meio onde se localizavam as cargas.
A terceira equação, também conhecida como lei de Faraday-Lenz, mostra que o rotacional do campo magnético é igual à taxa de variação do campo magnético com o sinal trocado.
O seu significado físico é que variação de campos magnéticos com o tempo geram campos elétricos. Esse resultado assemelha-se ao princípio da indução eletromagnética proposto por Faraday.
A quarta equação, também conhecida como lei de Ampère-Maxwell, é também a última equação de Maxwell para o eletromagnetismo. Essa relação é na verdade é uma modificação da expressão original obtida por Ampère. A equação de Ampère admitia que somente correntes contínuas (correntes de condução), em regime permanente, eram responsáveis pela criação de campos magnéticos. Maxwell percebeu por outro lado que a variação do campo elétrico com o tempo também geraria o um efeito similar, introduzindo assim o conceito de correntes de deslocamento.
A quarta equação de Maxwell com as devidas modificações pode ser expressa da seguinte forma:
Em que representa a densidade da corrente de condução, e determina a taxa de variação temporal do campo, é responsável pela corrente de deslocamento sugerida por Maxwell.
O significado físico da equação Ampère-Maxwell é que correntes de condução e correntes de deslocamentos produzem campos magnéticos.
Assim, Maxwell propôs quatro equações que descrevem boa parte dos fenômenos relacionados ao eletromagnetismo. Esse sistema de equação descreve de forma sucinta e consistente o que, até então, não se tinha à disposição. Formalizando então a unificação teórica da eletricidade e do magnetismo.
6 CONCLUSÃO
Do exposto conclui-se que os conceitos referentes à eletricidade e ao magnetismo eram abordados como se não possuíssem nenhuma ligação. Foi somente após vários experimentos e acontecimentos que a ligação foi estabelecida
possibilitando a formulação da nova teoria eletromagnética, relacionam efeitos magnéticos como elétricos. Surge assim um novo ramo da Física, que comprova que tanto o campo magnético quanto o campo elétrico eram contribuições de um campo comum, o campo eletromagnético.
Constatou-se ainda que os resultados obtidos experimentalmente por Oersted, Faraday e Ampère, sintetizados por Maxwell, condensam todo o trabalho desenvolvido em séculos. E foi possível, enfim, relacionar efeitos elétricos e magnéticos em quatro equações de importantíssima aplicação para o eletromagnetismo.
REFERÊNCIAS
ROCHA, José Fernando M. Origens e evolução das idéias da física. Salvador: EDUFBA, 2002.
CHERMAN, Alexandre. Sobre os Ombros de Gigantes: uma história da física. Rio de Janeiro: JZE, 2004.
NUSSENVEIG, Moyses. Curso de física básica: fluidos, oscilações e ondas, calor. 4.ed. São Paulo:Edgar Bulcher, 2002 v.2.
