Magnetismo

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Magnetismo

Em física e demais ciências naturais, magnetismo é a denominação associada ao fenômeno ou conjunto de fenômenos relacionados à atração ou repulsão observada entre determinados objetos materiais - particularmente intensas aos sentidos nos materiais ditos ímãs ou nos materiais ditos ferromagnéticos - e ainda, em perspectiva moderna, entre tais materiais e condutores de correntes elétricas - especificamente entre tais materiais e portadores de carga elétrica em movimento - ou ainda a uma das parcelas da interação total (Força de Lorentz) que estabelecem entre si os portadores de carga elétrica quando em movimento - explicitamente a parcela que mostra-se nula na ausência de movimento de um dos dois, ou de ambos, no referencial adotado.[1][2] Há de se ressaltar que a simples observação de atração ou repulsão entre dois objetos não é suficiente para caracterizar a interação entre os dois como de origem magnética, geralmente confundindo-se com certa facilidade, aos olhos leigos, os fenômenos magnéticos e elétricos. Tais fenômenos elétricos e magnéticos, apesar de hoje saber-se estarem profundamente correlacionados, têm em princípio de naturezas certamente diferentes.

Aos olhos desatentos enfatiza-se que os fenômenos elétricos e magnéticos - ao menos no cotidiano - diferem entre si basicamente nos seguintes aspectos:[3]

no cotidiano a força magnética mostra-se geralmente mais intensa do que a elétrica;
enquanto os fenômenos elétricos - em específico os eletrostáticos oriundos do atrito entre materiais diferentes - apresentem natureza efêmera, os magnéticos são geralmente duradouros;
ao passo que corpos eletrizados interagem de forma perceptível com praticamente todos os materiais, os corpos magnéticos interagem de forma significativa apenas com um grupo muito seleto desses.[nota 1]

Em particular, é válido aqui desfazer-se a ideia em senso comum de que os ímãs atrairiam qualquer metal.[nota 2] Em verdade, a grande maioria dos metais simplesmente não responde em magnetostática de forma perceptível aos sentidos. Entre os poucos que respondem, destacam-se o ferro, o cobalto e o níquel.

O magnetismo pode orientar os corpos em direções definidas, geralmente não ocorrendo o mesmo nos fenômenos elétricos. Em outras palavras, em virtude de sua orientação, um mesmo corpo magnético pode ou ser atraído ou ser repelido por outro. No caso elétrico ou os dois geralmente ou se atraem ou se repelem - de forma independente da orientação espacial destes.[nota 3]
Os polos elétricos - positivo e negativo - podem ser separados ao passo que os polos magnéticos - norte e sul - estão sempre presentes no mesmo corpo, nunca podendo ser separados.[nota 4]

Nestes termos é fácil agora caracterizar a atração entre o pente de cabelos após uso e pequenos pedaços de papel, ou mesmo entre a folha de papel e a capa de plástico de uma encadernação, como fenômenos elétricos, e a atração entre uma chave de fenda e um parafuso, ou entre o adesivo de propaganda e a geladeira, como magnéticos.

O exemplo mais difundido de fenômeno magnético certamente associa-se o funcionamento da bússola, uma agulha magnética de livre movimento orientada pelo campo magnético terrestre.[4] As auroras boreal e austral constituem um exemplo menos conhecido, sendo devidas à existência de interação magnética entre partículas presentes no vento solar e o campo magnético da terra - que desvia tais partículas em direção aos polos magnéticos do planeta, onde, em interação com a atmosfera, implicam as luzes no céu características deste fenômeno.[1]

Magnetismo é ainda o nome associado à divisão da Física responsável pelo estudo dos fenômenos magnéticos. A descoberta e melhor compreensão da estreita relação existente entre os fenômenos magnéticos e elétricos implicou, em tempos recentes, na fusão das áreas concernentes ao estudo da eletricidade e magnetismo - originalmente distintas - em uma única divisão mais abrangente, o eletromagnetismo.[5] O eletromagnetismo encerra em si todos os fenômenos elétricos, todos os magnéticos, e mais os fenômenos associados à inter-relação explícita ou implícita entre os dois primeiros.

Introdução

As observações de fenômenos magnéticos naturais são muito antigas. Entre elas relatam-se com frequência as realizadas pelos gregos em uma região da Ásiaconhecida por Magnésia,[2] embora haja indícios de que os chineses já conheciam o fenômeno há muito mais tempo.[6] Ainda no século VI a.C., Tales de Mileto, em uma de suas viagens ao continente (na época província da Grécia), constatou que pequenas pedrinhas tinham a capacidade de atrair tanto objetos de ferro quanto a de atraírem-se.

Tales foi o primeiro a tentar explicar o fenômeno afirmando que a magnetita - o minério magnético presente no solo - seria possuidor de uma espécie de "alma",[7] e que esse poderia comunicar "vida" ao ferro inerte, que por sua vez também adquiria o poder de atração.[6] Tales não teria sido contudo o primeiro a descobrir tal fenômeno na região. Conta a lenda que um pastor de ovelhas, de nome Magnes, teria percebido que a ponta de ferro do seu cajado ficava presa quando este o encostava em determinadas pedras[7] - presumidamente a magnetita. Segundo alguns autores, do nome da região derivou-se o termo "magnetismo", até hoje usado para estudar os fenômenos relacionados. Contudo para outros o termo "magnetismo" advém do nome do pastor de ovelhas que teria constatado o primeiro fenômeno "magnético".[8]

Em vista do que se sabe hoje em dia a explicação de Tales de Mileto pode parecer-nos muito simplória, contudo ressalva-se que não se deve julgar um pensamentofora do contexto histórico-sócio-cultural o qual pertence. Em tal época justamente os primeiros passos de uma longa jornada que viria culminar no que conhecemos hoje, dois milênios e meio depois, por ciência, estavam por ser dados. Em verdade, explicações similares perduraram pelos vários séculos que se seguiram: o magnetismo seria então a consequência da emanação de eflúvios, um "perfume" que emanaria do ferro e da magnetita, sensibilizando-os para que se atraíssem. A própria palavra ímã derivar-se-ia mais tarde da palavra francesa aimant, que, não de surpreender, traduz-se por amante em português.[6]

Os chineses foram certamente os primeiros a encontrar aplicações práticas para o magnetismo. No início da era cristã os adivinhos chineses já utilizavam um precursor da bússola, uma colher feita de magnetita que, colocada em equilíbrio sobre um ponto de apoio central, podia mover-se livremente. Tratava-se da "colher que apontava para o sul", sempre presente em seus rituais.[9] No século VI os chineses já dominavam a tecnologia para a fabricação de ímãs.[6]

Esses fenômenos, contudo, não despertaram um maior interesse, pelo menos até os século XIII, quando começaram a surgir observações e trabalhos mais acurados a respeito da eletricidade e do magnetismo. Delas decorreram de imediato a conclusão de que os fenômenos elétricos e magnéticos teriam naturezas completamente distintas, ideia que perdurou até dois séculos atrás. Em 1269 Pierre de Maricourt, em uma de suas cartas enviadas a um amigo, descreve com precisão a maioria das experiências típicas associadas ao fenômeno e que ainda hoje figuram com abundância em livros de ensino atuais.[10] A ele devemos as nomenclaturas "pólo norte" e "pólo sul" associadas aos pólos de um magneto e a lei dos "opostos se atraem, iguais se repelem" diretamente associada aos mesmos. Também observou que em um ímã, mesmo quando oriundo de fratura de outro, encontram-se presentes sempre dois pólos opostos.[6]

Destacam-se seguindo-se a cronologia e dando continuidade ao trabalho de Pierre de Maricourt, dois séculos mais tarde entretanto, os trabalhos do cientista inglês William Gilbert, esses resumidos em um livro publicado em 1600 que revelou-se um marco na área: o De Magnete.[11] Consonante com o fato de que a ciência em sua definição moderna vinha à luz no exato período em questão (William fora contemporâneo de Galileu Galilei) pode considerar-se esse livro como um dos primeiros trabalhos em moldes científicos sobre o assunto, e por tal um clássico da literatura científica. O tomo encerrava praticamente todos os conhecimentos válidos produzidos até a época, pouco acrescendo-se aos mesmos até o início do século XIX. Gilbert fora capaz inclusive de explicar o comportamento da bússola, propondo que a terra comportava-se como um ímã de dimensões gigantescas.[6]

Conclusões mais sofisticadas, como a descoberta de que o aquecimento de um ímã fá-lo perder suas propriedades magnéticas e a verificação de que a magnetização e desmagnetização não implicam alteração no peso do objeto também estavam presentes. O livro não encerrava apenas estudos sobre magnetismo; também abordava vários dos tópicos contemporâneos ligados ao estudo da eletricidade.[12]

Os avanços seguintes na área do magnetismo só foram possíveis graças a um significativo avanço ocorrido na área da eletricidade: a invenção da pilha por Alexandro Volta.[13] A existência de uma fonte de energia elétrica - de corrente elétrica - duradoura mostrar-se-ia essencial para que o físico e químico dinamarquês Hans Christian Ørsted pudesse estabelecer de forma sólida em 1820, via um momento de serendipidade em uma aula e não nos confinamentos de um laboratório de pesquisa, algo do qual já se suspeitava há muito: que os fenômenos elétricos e magnéticos guardam íntima relação. A experiência de Ørsted entrou para os anais da física ao evidenciar que correntes elétricas provocam efeitos magnéticos em sua vizinhança, sendo estas capazes de interferir na orientação de bússolas em suas proximidades.[14]

O passo seguintes no avanço da compreensão do magnetismo em direção ao eletromagnetismo foi dado pelo inglês Michael Faraday e concomitantemente pelo estadunidense Joseph Henry: a descoberta da indução magnética.[15][16] Trata-se tão somente da resposta experimental afirmativa para uma questão diretamente decorrente da experiência de Ørsted: se eletricidade é capaz de produzir fenômeno magnético, é o inverso também verdade? Devido aos exaustivos estudos realizados por Faraday em detrimento de uma devoção menor por parte de Henry ao assunto - decorrente da sua indisponibilidade de tempo por razões profissionais - historicamente credita-se a Faraday e não a Henry os louros da descoberta.

A Faraday também credita-se o conceito de campo, conceito este imediatamente estendido tanto ao estudo da eletricidade quanto ao do magnetismo e que mostrar-se-ia essencial à síntese realizada por James Clerk Maxwell. Em tal contexto as contribuições de Heirinch Friedrich Emil Lenz (a lei de Lenz); de Wilhelm Eduard Weber, homenageado ao estabelecer-se a unidade S.I. para a grandeza fluxo magnético (o weber), sendo quem primeiro obteve a partir de experimentos relacionados ao eletromagnetismo o valor experimental de uma constante, c = 3,1 x 108 m/s, imediatamente reconhecida como análoga ao valor da velocidade da luz no vácuo; dos matemáticos Franz Ernst Neumann (lei de Faraday-Neumann-Lenz), Carl Friedrich Gauss (lei de Gauss) e demais; não podem deixar de ser mencionadas.

Maxwell, com suas famosas quatro equações - as Equações de Maxwell - conseguiu explicar não apenas todo o conhecimento empírico sob o domínio do magnetismo quando sob domínio da eletricidade - e comuns - conhecidos até a sua época como também conseguiu estabelecer bases teóricas sólidas quanto à existência das ondas eletromagnéticas, o que ao fim da história abriu, junto os trabalhos de Weber, Hertz e outros, o caminho para a integração da ótica ao agora chamado eletromagnetismo.[8]

E não demorou muito para evidenciar-se que a igualdade entre o valor teórico da velocidade das ondas eletromagnéticas oriundos das equações de Maxwell, o valor da constante experimentalmente determinado por Weber, o valor da velocidade das ondas eletromagnéticas determinado após a descoberta destas por Hertz, e o valor experimental da velocidade da luz - há algum tempo conhecido com razoável precisão - não se devia, certamente, a uma mera coincidência.[17]

Credita-se à Heinrich Hertz a confirmação experimental da existência das ondas eletromagnéticas e determinação da velocidade dessas.[18]

magnetismo

polos

Polos e dipolos magnéticos

A principal característica de um objeto em interação magnética atrela-se ao fato de essa interação mostrar-se particularmente intensa em determinadas regiões e menos intensas em outras ao longo de sua extensão ou, em caso de tamanho desprezível, ao redor desse. A cada uma dessas regiões de forte interação dá-se o nome de polo magnético.[5] Evidencia-se que um polo é sempre acompanhado de um polo conjugado, havendo no mínimo dois polos distintos em qualquer objeto magnético. Tais polos são inseparáveis, e juntos formam o que denomina-se dipolo magnético.

Os polos conjugados de um objeto magnético são nomeados respectivamente polo magnético norte e polo magnético sul.

É explicitamente importante aqui que se evite confundir essa nomenclatura com a nomenclatura muito semelhante utilizada para nomearem-se os polos geográficos de objetos em rotação; em particular os polos geográficos do planeta Terra. Associados a um objeto em rotação têm-se os polos geográficos. Fala-se neste caso em polo geográfico norte e polo geográfico sul: considerando-se os dois pontos determinados pelo interseção do eixo de rotação com a superfície do objeto girante, movendo-se os dedos da mão direita sobre o mesmo de forma que os dedos dessa mão, em posição de segurá-lo, acompanhem o seu movimento de rotação, ter-se-á o dedão dessa mão indicando o polo que será então denominado polo geográfico norte; outro dos dois pontos na superfície será o polo geográfico sul.

A definição de qual dos polos magnéticos de um eletroímã será nomeado polo magnético norte e qual será o polo magnético sul também pode, em vista do paradigma científico válido atualmente, ser determinada mediante uma das aplicações da "regra da mão direita"; obviamente não existindo neste caso um eixo de rotação espacial aplicável, contudo. A referência é nesse caso a direção e sentido estabelecidos pela corrente elétrica diretamente associada ao comportamento magnético observado, corrente essa que geralmente percorre o condutor elétrico, espira ou solenoide em consideração. Estabelecido qual é o polo norte e qual o polo sul magnéticos desse, por comparação, estabelece-se qual o polo norte e qual o sul de qualquer outro magneto. Para tal basta observar que, dados dois objetos em interação magnética:

polos de mesma nomenclatura, quando em interação, determinam repulsão;
polos de nomenclaturas diferentes, quando em interação, determinam atração.

É sabido, entretanto, que a nomenclatura magnética em debate antecede cronologicamente o conhecimento necessário ao uso da regra da mão direita para determiná-la. A explicação para a questão derivada passa certamente pela percepção de que a semelhança entre as nomenclaturas para os polos geográficos e para os polos magnéticos talvez não seja, e em verdade não é, mera coincidência. Há muito, conforme citado, sabe-se que dipolos magnéticos, quando suspensos de forma que possam girar livremente, orientam-se espacialmente de forma que um de seus polos magnéticos determine uma direção próxima àquela estabelecida pelos polos geográficos da terra.

Tal observação levou à denominação no magneto de polo magnético norte ao polo magnético que orienta-se de forma a indicar o polo geográfico norte, e à de polo magnético sul ao polo magnético do magneto voltado para o sul geográfico da Terra. Essas nomenclaturas conforme estabelecidas são - ao menos na atualidade visto que os polos magnéticos do planeta alternaram suas posições geográficas com o passar das eras - condizentes com as estabelecidas pelos usos antes citados da regra da mão direita.

Terra, um ímã

Durante muito tempo procurou-se explicação para a orientação assumida pelos ímãs quando suspensos de forma a girarem livremente. A resposta é em princípio simples quando se propõe que a Terra se comporta como um ímã de dimensões gigantescas, contudo mostra-se bem mais complicada quando evolui para a questão de se saber o porquê da Terra se comportar como um ímã.[19]

Em dias atuais os polos geográficos localizam-se próximos, mas não coincidentes, aos polos magnéticos da Terra. Em vista das considerações na seção anterior, é fácil perceber que próximo ao polo geográfico norte da Terra situar-se-á o polo sul magnético do planeta, e próximo ao polo geográfico sul do planeta encontra-se o polo magnético norte deste. Tal posicionamento leva ao correto funcionamento da bússola: o norte magnético da agulha magnética determina o norte geográfico do planeta por ter sido atraído pelo polo magnético sul do planeta, esse setentrionalmente localizado.

Em termos dos polos geográficos e do eixo de rotação do planeta, fundamentais para se definirem as coordenadas geográficas, as posições geográfica dos polos magnéticos são atualmente as seguinte:[20]

Vale contudo lembrar que a bússola nem sempre irá apontar exatamente para tais pontos. Devido a interferências associadas às condições magnéticas locais, devidas entre outros à presença ou não de materiais magnéticos no solo, mesmo o uso da bússola para a orientação geográfica deve ser feito com cautela, devendo esta ser atrelada a uma correção pontual conhecida por declinação magnética. As cartas de navegação normalmente informam a declinação magnética aplicável e sua área de abrangência.

A explicação do porquê a Terra se comporta como um grande ímã mostra-se bem mais nebulosa ao considerar-se que os registros magnéticos gravados em rochas vulcânicas - nos ímãs naturais, verdadeiros "fósseis" magnéticos - fortemente sugerem que as posições geográficas dos polos magnéticos do planeta mudam não apenas constantemente - conforme corroborado por medidas atuais - como em verdade mudam radicalmente.

Nos últimos 17 milhões de anos, tempo não tão significativo perto dos 4,5 bilhões de anos atribuídos à idade do planeta, os polos magnéticos teriam invertido suas posições cerca de 170 vezes.[6] Mesmo considerações sobre o fato de que o manto e o núcleo da Terra sejam constituídos em essência por ferro não são suficientes para estabelecer-se um modelo satisfatório. Sabe-se que o material do manto encontra-se em estado líquido viscoso, em temperaturas bem acima da temperatura de Curie deste elemento, o que o leva a um estado não magnético. A mesma consideração, quando aplicada ao núcleo, mesmo este sendo sólido, mostra-se também pertinente. Até o momento não se tem um modelo cientificamente aceito para explicar o magnetismo terrestre e seu comportamento. Supõe-se que correntes elétricas oriundas de gradientes de temperatura no interior do planeta desempenhem papel importante no processo.

O fenômeno

Conforme citado, não se verificou, até os dias de hoje, a existência de cargas magnéticas - de monopolos magnéticos - na natureza. Eis pois que surge a questão: qual a causa primária responsável pelos fenômenos magnéticos observados na natureza? A resposta é simples: cargas elétricas em movimento, ou seja, correntes elétricas.

Quando duas partículas eletricamente carregadas encontram-se estáticas no referencial adotado, há entre elas uma interação de natureza puramente elétrica. Caso apenas uma delas esteja em movimento retilíneo uniforme, ainda haverá entre elas apenas uma interação de natureza elétrica. Contudo, colocando-se ambas em movimento retilíneo uniforme, observar-se-á no referencial adotado que, além da interação elétrica entre as mesmas, uma nova forma de interação - a interação magnética - far-se-á presente.

As cargas foram colocadas em movimento retilíneo uniforme por simplicidade, havendo entre as mesmas interação magnética mesmo no caso em que estas encontrem-se aceleradas, desde que ambas, contudo, apresentem velocidades não nulas. A escolha de sistemas envolvendo apenas cargas em movimento retilíneo uniforme é geralmente assumida quando estuda-se o magnetismo em virtude de que, em sistemas envolvendo cargas elétricas aceleradas, haverá ainda um terceiro fenômeno envolvido: a emissão de ondas eletromagnéticas. Tal fenômeno resume-se geralmente na seguinte sentença: "cargas elétricas aceleradas irradiam".[21] A necessidade de se considerar as interações oriundas da radiação presente em tais sistemas certamente torna-os mais complexos, sendo estes estudos no contexto do eletromagnetismo.[22]

O estudo dos fenômenos associadas à interação magnética em sistemas envolvendo apenas cargas elétricas em movimento retilíneo uniforme - ou em sistemas onde a quantidade total de onda eletromagnética irradiada pode ser desprezada - é geralmente designado por magnetostática.

Em essência, todo magnetismo conhecido atrela-se de alguma forma à presença de cargas elétricas em movimento. Mesmo em ímãs naturais, materiais onde não se verifica a presença de correntes macroscopicamente mensuráveis em suas estruturas, tal afirmação é valida.

O magnetismo em ímãs naturais e demais materiais magnéticos associa-se à cinemática das cargas elétricas - prótons e elétrons, com destaque para os últimos - presentes em suas estruturas microscópicas, ou seja, nos átomos que os compõem. Em vista dos modelo atômicos de Rutherford-Bohr para o átomo, os elétrons movem-se em órbitas em torno do núcleo - produzindo por tal cada qual um efeito magnético. Mesmo em vista do modelo mais moderno para o átomo - o modelo atômico dos orbitais - derivado de avanços na compreensão da mecânica quântica, tal afirmação ainda é plenamente válida.

As propriedades magnéticas de um material são decorrentes da forma como os diversos dipolos magnéticos oriundos das correntes elétricas em suas estruturas atômicas se combinam entre si, tanto em nível interno ao próprio átomo - o que se refere sobretudo à interação magnética entre si dos elétrons que o estruturam - como entre um átomo e seus demais vizinhos. Há de se considerar também em qualquer dos modelos citados que o magnetismo associado a uma partícula carregada em particular, seja esta próton ou elétron, não se deve apenas ao seu movimento relativo no referencial adotado.

Há também, de grande relevância à análise do comportamento magnético - e da própria estruturação do átomo como descrito - o momento magnético intrínseco de cada partícula, este diretamente correlacionado ao spin - ao momento angular intrínseco - da referida partícula. É sabido que associar o momento angular intrínseco de uma partícula ao movimento de rotação desta sobre seu eixo não é um dos melhores modelos para se explicar tal propriedade - mesmo porque partículas como o elétron não têm dimensão experimentalmente resolvida (o elétron é até o momento descrito como um ponto) - contudo este modelo serviria de base para justificar a correlação entre os momentos angular e magnético intrínsecos das partículas carregadas:

uma partícula carregada que gira sobre si implica carga elétrica em movimento circular e, por tal, em campo magnético. Partículas carregadas como elétrons e prótons são, por si só, pequenos dipolos magnéticos e os efeitos magnéticos destes são fundamentais tanto para a compreensão da estrutura do átomo como do comportamento magnético da matéria como um todo.[23]

campo magnético

CAMPOS MAGNÉTICOS

Antes do conceito de campo ser estabelecido dentro da física admitia-se que as interações físicas, quaisquer que fossem suas naturezas, davam-se por ação direta e instantânea de uma das partes interagentes sobre a outra e vice-versa, em um modelo conhecido por "ação à distância". Neste modelo, em essência, não havia um ente físico responsável por intermediar a interação.

Surgindo entre outros como um mecanismo para facilitar os cálculos envolvidos em problemas onde havia inúmeros - ou às vezes incontáveis - objetos que, dispostos simetricamente, atuavam simultaneamente sobre o ente físico em análise, o conceito de campo evoluiu rapidamente junto às descobertas de novos fatos que contrastavam com a ideia de ação à distância, chegando-se ao ponto deste ganhar, nos paradigmas válidos atualmente, status de ente físico com existência real.

A possibilidade de verificar-se experimentalmente que "o limite superior para a velocidade de transmissão de uma informação é a velocidade da luz" foi certamente decisivo a favor da ideia de campo: o campo hoje expressa uma entidade real responsável por mediar a interação entre dois entes físicos quaisquer. Há pois um campo associado à interação gravitacional, um associado à interação elétrica, um associado à interação magnética, e assim por diante. As ondas eletromagnéticas figuram como o ápice de tal ideia: um campo elétrico e um campo magnético sustentando-se mutuamente de forma a propagarem-se livremente pelo espaço.

Têm-se pois os seguintes modelos físicos:

(1): ente 1 <-- ação à distância: direta e instantânea --> ente 2 : superado; contradito por fatos descobertos nos últimos séculos.
(2): ente 1 <-- Campo: ação não direta e não instantânea --> ente 2: paradigma atual

Nos termos do modelo atual a interação magnética entre dois momentos de dipolo magnéticos é analisada sob enfoque de um campo, neste caso uma entidade vetorial conhecida por campo magnético. Sua definição tem origem em fatos empíricos, sendo o mesmo definido como se segue.

representações

Representações

Representação Gráfica

A representação gráfica rigorosa do campo magnético deveria compor-se pela representação de uma quantidade infinita de vetores - uma para cada ponto do espaço - no diagrama que representa o espaço em questão. Como isto é praticamente impossível, é de praxe representar-se apenas um número significativo de vetores - usualmente o menor número possível de forma a garantir-se a compreensão do comportamento do campo em questão no espaço considerado sem contudo comprometer a legibilidade do diagrama. Neste diagrama, cada vetor é desenhado no respectivo ponto a qual associa-se de forma que seu módulo seja proporcional ao seu comprimento no diagrama.

Linhas de campo magnético

Olhando-se para os diagramas vetoriais que representam os campos de grandezas físicas vetoriais como o campo elétrico e o campo magnético facilmente percebe-se que os diversos vetores representativos destes campos, quando adequadamente desenhados, sugerem que os mesmos ordenam-se seguindo um padrão de linhas no diagrama. Em verdade percebeu-se que este padrão de linhas poderia constituir uma representação gráfica bem mais simples dos mesmos campos vetoriais considerados. É desejado que nesta representação por linhas não se perca nenhuma informação antes contida na representação original, contudo. Para que isto tornar-se possível, alguns critérios foram estabelecidos para representar-se um campo vetorial através das chamadas linhas de campo:

o vetor campo em um dado ponto do espaço deve ser sempre tangente à linha de campo que passe por este ponto;
as linhas devem ser orientadas em acordo com a orientação do vetor tangente em qualquer pondo em consideração;
o módulo do vetor em um ponto deve ser proporcional à densidade volumétrica de linhas de campo na região em torno deste ponto.

Com tais observações é possível construir uma representação para o campo vetorial baseada apenas em linhas e não em representações dos vetores em si. Contudo a ideia central não pode ser esquecida: a grandeza fisicamente significativa é o vetor em cada ponto do espaço e não as linhas de campo em si, devendo o vetor ser inferido a partir da representação por linhas sempre que se fizerem necessárias aplicações do campo para soluções de problemas.

A representação mais comum de campos vetoriais é certamente a representação por linhas. As linhas representativas de um campo magnético são conhecidas como linhas magnéticas, ou linhas de campo magnético. Um nome inadequado é ainda utilizado, contudo sua utilização deve ser fortemente desencorajada: trata-se das famosas "linhas de força". O campo magnético não é um "campo de forças", embora este possa ser inferido a partir de um campo de "forças magnéticas máximas" que atuam sobre uma carga elétrica em movimento ao passar por cada ponto da região em questão. Repare que as linhas representativas do "campo de força magnética máxima" seriam perpendiculares às linhas que representam o campo magnético em si visto que a força magnética é sempre perpendicular ao vetor campo magnético no ponto em consideração

Abaixo tem-se a representação do campo magnético produzido por um dipolo magnético mediante a representação por linhas bem como sua representação algébrica. Repare que o campo é mais intenso perto do dipolo e mais fraco à distâncias maiores: as linhas se afastam umas das outras a medida que a distância ao dipolo aumenta. O campo é particularmente intenso nos lados direitos e esquerdo do dipolo, ou seja, nos polos magnéticos, e menos intensos em regiões externas a este ao longo de uma linha vertical que passe pelo seu centro. As linhas são orientadas, conforme pode-se observar, segundo a orientação dos vetores campo magnético existentes em cada ponto do espaço devidos ao dipolo.

O dipolo e o campo magnéticos

O dipolo magnético, quer intrínsecos quer extrínsecos, está no cerne da compreensão dos fenômenos magnéticos. Compreender sua relação com o campo magnético é fundamental à teoria associada.

motores elétricos

Motores Elétricos

A figura "Motor elétrico" ao lado mostra uma aplicação prática do torque resultante sobre uma espira. Trata-se de um motor de corrente contínua. Ao centro, montado sobre o eixo em suportes específicos, encontram-se as três bobinas responsáveis por gerar os momentos de dipolo magnéticos, orientado cada qual em sentido perpendicular à respectiva face visível do suporte. Juntos, o eixo e estas três bobinas integram o rotor. Utilizam-se várias espiras aninhadas em uma formação conhecida como bobina pois desta forma seus seus momentos de dipolo magnéticos se somam, resultando em um torque de maior intensidade. O uso de várias bobinas, no caso três, tem a mesma finalidade.

Na parte inferior, conectado a duas peças metálicas simetricamente opostas, um bobina fixa (a bobina de campo) é responsável por produzir o campo no qual as bobinas do rotor serão imersas. As peças metálicas são ferromagnéticas e com tais estabelece-se a configuração desejada do campo magnético, sendo este aproximadamente horizontal na região onde encontram-se as bobinas do rotor. Encontram-se também visíveis tanto o comutador (coletor e escovas) bem como os bornes para a ligação do aparelho a uma fonte de corrente elétrica externa responsável pela alimentação do mesmo.

O comutador é necessário para manter o torque sempre em mesmo sentido. Ele alterna as bobinas de forma a manter aquela(s) com o torque em sentido desejado sempre ligada(s) e a(s) que estaria(m) implicando torque em sentido contrário desligadas. Sem ele, em vez de girar, o rotor tenderia a oscilar em torno do ponto no qual o momento de dipolo magnético de uma de suas bobinas alinha-se com o campo magnético oriundo da bobina de campo.

Os princípios de funcionamento envolvidos em motores de corrente alternada costumam ser mais elaborados, havendo casos em que as bobinas do rotor bem como o comutador que as alimenta são completamente eliminados. O rotor constitui-se então por peça metálicacondutora única (não magnética), e correntes são nele estabelecidas através do processo de indução magnética. Contudo a ideia central permanece a mesma: um torque de origem magnética faz o rotor girar.

Em máquinas elétricas, motor elétrico ou atuador elétrico[1] é qualquer dispositivo que transforma energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.

A tarefa reversa, aquela de converter o movimento mecânico na energia elétrica, é realizada por um gerador ou por um dínamo. Em muitos casos os dois dispositivos diferem somente em sua aplicação e detalhes menores de construção. Os motores de tração usados em locomotivas executam frequentemente ambas as tarefas se a locomotiva for equipada com os freios dinâmicos. Normalmente também esta aplicação se dá a caminhões fora de estrada, chamados eletrodiesel.

Funcionamento

A maioria de motores elétricos trabalha pela interação entre campos eletromagnéticos, mas existem motores baseados em outros fenômenos eletromecânicos, tais como forças eletrostáticas. O princípio fundamental em que os motores eletromagnéticos são baseados é que há uma força mecânica em todo o fio quando está conduzindo corrente elétrica imersa em um campo magnético. A força é descrita pela lei da força de Lorentz e é perpendicular ao fio e ao campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento girando, o rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de modo que um torque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor.

A maioria de motores magnéticos são giratórios, mas existem também os tipos lineares. Em um motor giratório, a parte giratória (geralmente no interior) é chamada de rotor, e a parte estacionária é chamada de estator. O motor é constituído de eletroímãs ou imãs permanentes, que são posicionados no material ferromagnético que constitui o corpo do rotor, e geralmente bobinas de cobre são enroladas e adequadamente dispostas em volta do material ferromagnético que constitui o estator...

Tipos de motores

Os motores elétricos mais comuns são:

Motores de corrente contínua

Ver artigo principal: Motor de corrente contínua

Os motores de corrente contínua, ou motores DC, precisam de uma fonte de corrente contínua, neste caso pode ser necessário utilizar um circuito retificador para converter a corrente alternada, corrente fornecida pela concessionária de energia elétrica, para corrente contínua. Podem funcionar com velocidades ajustáveis entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação, ou no caso da alimentação usada ser contínua, como no caso das pilhas em dispositivos eletrônicos.

Motores de corrente alternada

Ver artigo principal: Motor de corrente alternada

Os motores de corrente alternada, ou motores AC, são os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada.

Seu princípio de funcionamento é baseado no campo girante, que surge quando um sistema de correntes alternadas trifásico é aplicada em polosdefasados fisicamente de 120º. Dessa forma, como as correntes são defasadas 120º elétricos, em cada instante, um par de polos possui o campo de maior intensidade, cuja associação vetorial possui o mesmo efeito de um campo girante que se desloca ao longo do perímetro do estator e que também varia no tempo.

Os principais tipos são os motores:

Motor síncrono: funciona com velocidade constante; utiliza-se de um induzido que possui um campo constante pré-definido e, com isso, aumenta a resposta ao processo de arraste criado pelo campo girante. É geralmente utilizado quando se necessita de velocidades estáveis sob a ação de cargas variáveis. Também pode ser utilizado quando se requer grande potência, com torque constante.
Motor de indução: funciona normalmente com velocidade estável, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas encontradas na prática. Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de frequência.

A classificação dos motores elétricos quando vista de uma forma um pouco mais detalhada é um tanto complexa e quase sempre leva a confusões mesmo de estudiosos do assunto:

Motores CC (corrente contínua)
- Ímã Permanente com ou sem escova (motor CC brushless)
- Série
  - Universal
- Shunt ou paralelo
- Composto(Composição de shunt e paralelo)
Motores CA (corrente alternada)
- Assíncrono (de indução)
  - Polifásico
    - Rotor gaiola ou em curto-circuito
    - Rotor enrolado ou bobinado
  - Monofásico
    - Rotor gaiola ou em curto-circuito
      - Fase dividida
      - Capacitor de partida
      - Capacitor permanente
      - Polos Sombreados
      - Dois capacitores
    - Rotor enrolado ou bobinado
      - Repulsão
      - Repulsão de partida
- Síncrono
  - Polifásico
  - Monofásico
    - Ímã permanente
    - Histerese
    - Relutância
    - De passo
      - Ímã Permanente
      - Relutância variável
      - Híbrido

História

O ano de 1886 pode ser considerado, como o ano de nascimento da máquina elétrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner von Siemens inventou o primeiro geradorde corrente contínua autoinduzido. Entretanto esta máquina que revolucionou o mundo em poucos anos, foi o último estágio de estudos, pesquisas e invenções de muitos outros cientistas, durante quase três séculos.

Em 1600 o cientista inglês William Gilbert publicou, em Londres a obra intitulada De Magnete, descrevendo a força de atracção magnética. O fenómeno da electricidade estática já havia sido observado antes pelo grego Tales, em 641 a.C., ele verificou que ao friccionar uma peça de âmbar com um pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pelos, penas, cinzas, etc.

A primeira máquina electrostática foi construída em 1663 pelo alemão Otto von Guericke e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta.

O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes eléctricas, verificou em 1820 que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente eléctrica. Esta observação permitiu a Oersted reconhecer a íntima ligação entre o magnetismo e a electricidade, dando assim, o primeiro passo para em direcção ao desenvolvimento do motor eléctrico.

O sapateiro inglês William Sturgeon – que paralelamente com sua profissão, estudava electricidade nas horas de folga – baseando-se na descoberta de Oersted constatou, em 1825, que um núcleo de ferro envolto por um fio condutor eléctrico transformava-se em um ímã quando se aplicava uma corrente eléctrica, observando também que a força do ímã cessava tão logo a corrente fosse interrompida. Estava inventado o eletroímã, que seria de fundamental importância na construção de máquinas eléctricas girantes.

Em 1832, o cientista italiano S. Dal Negro construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento de vaivém. Já no ano de 1833, o inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor eléctrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. Para dar uma volta completa, a polaridade do eletroímã era alternada a cada meia volta através do comutador. A inversão da polaridade também foi demonstrada pelo mecânico parisiense H. Pixii ao construir um gerador com um ímã em forma de ferradura que girava diante de duas bobinas fixas com um núcleo de ferro. A corrente alternada era transformada em corrente contínua pulsante através de um comutador.

Grande sucesso obteve o motor eléctrico desenvolvido pelo arquitecto e professor de física Moritz Hermann von Jacobi – que, em 1838, aplicou-o a um bote. Alimentados por células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou a uma velocidade de 4,8 quilômetros por hora.

Somente em 1886 Siemens construiu um gerador sem a utilização de ímã permanente, provando que a tensão necessária para o magnetismo poderia ser retirado do próprio enrolamento do rotor, isto é, que a máquina podia se autoexcitar. O primeiro dínamo de Werner Siemens possuía uma potência de aproximadamente 30 watts e uma rotação de 1200rpm. A máquina de Siemens não funcionava somente como um gerador de electricidade, mas também podia operar como um motor, desde que se aplicasse aos seus bornes uma corrente contínua.

Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva eléctrica, com uma potência de 2 kW.

A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação à maquina a vapor, a roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e a sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigira sua atenção para o desenvolvimento de um motor eléctrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta ideia, destacam-se o jugoslavo Nikola Tesla, o italiano Galileo Ferraris e o russo Michael von Dolivo-Dobrovolski. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas em 1881.

Em 1885, o engenheiro electrotécnico Galileu Ferraris construiu um motor de corrente alternada de duas fases. Ferraris, apesar de ter inventado o motor de campo girante, concluiu erroneamente que os motores construídos segundo este princípio poderiam, no máximo, obter um rendimento de 50% em relação a potência consumida. E Tesla apresentou, em 1887, um pequeno protótipo de motor de indução bifásico com rotor em curto-circuito. Também esse motor apresentou rendimento insatisfatório, mas impressionou de tal modo a firma norte-americana Westinghouse, que esta lhe pagou um milhão de dólares pelo privilégio da patente, além de se comprometer ao pagamento de um dólar para cada HP que viesse a produzir no futuro. O baixo rendimento desse motor inviabilizou economicamente sua produção e três anos mais tarde as pesquisas foram abandonadas.

Foi o engenheiro electrotécnico Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, entrou em 1889 com o pedido de patente de um motor trifásico com rotor de gaiola. O motor apresentado tinha uma potência de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relação a potência consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor de corrente alternada para o motor de corrente contínua eram marcantes: construção mais simples, silencioso, menos manutenção e alta segurança em operação. Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricação em série de motores assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5 kW.

Leis de Ampère e Gauss

No estudo do eletromagnetismo e em suas subáreas são particularmente importantes como ferramentas dois teoremasoriundos do cálculo integral e diferencial - teoremas em particular ligados ao cálculo vetorial - respectivamente nomeados Teorema de Stokes[nota 5] e de Teorema de Gauss. Estes teoremas basicamente relacionam a integral (ou seja, a "soma") de uma dada grandeza "bem comportada" ao longo da fronteira que delimita uma dada região fechada do espaço considerado e a integral de uma segunda grandeza presente na região interna à fronteira e por essa definida.

Se o espaço a se considerar é uma superfície, a fronteira é uma linha curva fechada que forma a borda da região por ela demarcada e tem-se em tal caso o teorema de Stokes: uma integral de caminho de uma dada grandeza ao longo do perímetro mostra-se proporcional a uma integral de superfície de uma segunda grandeza ao longo da área da região definida por esta fronteira. Se a região em questão consiste em um volume tridimensional, a fronteira é uma superfície fechada imersa no espaço tridimensional, e associado tem-se então o teorema de Gauss: uma integral de superfície de uma grandeza ao longo da fronteira mostra-se proporcional a uma integral de volume de uma segunda grandeza ao longo de todo o espaço tridimensional confinado.

As duas grandezas consideradas anteriormente certamente não podem ser escolhidas a esmo, devendo as mesmas satisfazerem a certas condições bem definidas, e certamente encontram-se relacionadas entre si, pois com a aplicação de tais teoremas pretende-se justamente determinar tal relação.[nota 6] Ambos os teoremas têm suas aplicações tanto em eletrostáticaquanto em magnetostática, e também estão notoriamente presentes nas equações de Maxwell para o eletromagnetismo.

Ampère e Gauss

Energia em CI

Energias em circuitos de corrente

Ao se estabelecer uma corrente elétrica em um circuito real diversas transformações de energia ocorrem simultaneamente ao longo do processo que leva ao crescimento e por fim à manutenção da corrente I em questão. A compreensão destes processos é de grande importância para no estudo e na compreensão dos princípios de funcionamento de qualquer dispositivo elétrico ou eletrônico presente no nosso dia a dia.

Estabelecer uma corrente elétrica requer energia, e a quantidade total de energia requerida é determinável pela soma de várias parcelas: a energia dissipada via efeito joule; a energia que será irradiada na forma de ondas eletromagnéticas; a parcela de energia associada à força contra-eletromotriz encontrada em dispositivos como motores elétricos, esta diretamente convertida em energia mecânica nestes dispositivos; a parcela de energia atrelada ao campo eletrostático estabelecido em virtude do acúmulo de cargas ao longo do circuito, a exemplo a energia armazenada em capacitores elétricos conectados ao mesmo; e a energia que encontrar-se-á diretamente associada ao campo magnetostático atrelado à corrente estabelecida, sendo a última parcela geralmente conhecida por energia magnética.

O efeito joule implica basicamente a contínua conversão de energia elétrica em energia térmica em um material resistivo quando percorrido por uma corrente elétrica. É o efeito associado ao aquecimento das resistências elétricas encontradas nos chuveiros, ferros de passar roupas, aquecedores elétricos, e outros aparelhos cuja principal função seja a de aquecer o ambiente que os cerca. Visto que esta energia elétrica, uma vez convertida em térmica, não é mais passível de ser recuperada em sua forma original - dadas as propriedades da resistência elétrica e do efeito joule - é a esta parcela que associa-se a necessidade de manter-se uma fonte de energia elétrica continuamente conectada aos circuitos elétricos cotidianos a fim de manter-se constante a corrente elétrica através deles.

Removendo-se a fonte de energia (fonte de tensão), a corrente rapidamente reduz-se a zero devido às perdas de energia por efeito joule. Em supercondutores - materiais cuja resistência é absolutamente zero - visto que não há a dissipação de energia por efeito joule, uma corrente elétrica constante pode ser mantida por tempo indeterminado sem que se tenha a necessidade de uma fonte de energia elétrica conectada ao circuito. Maiores detalhes sobre resistividade elétrica, supercondutores e efeito joule podem ser obtidas em artigos específicos ligados ao estudo dos circuitos elétricos resistivos e ao estudo da resistividade dos materiais.

Uma parcela de energia também irrecuperável no próprio circuito uma vez a ele fornecida associa-se à parcela de energia radiada na forma de ondas eletromagnéticas, emitidas quando faz-se a corrente elétrica variar de intensidade. Correntes constantes não irradiam ondas eletromagnéticas, contudo ao variar-se a corrente elétrica em um circuito há a emissão dessas ondas, e por conseguinte há radiação de energia e por tal a transferência dessa energia para as vizinhanças do sistema.

A quantidade de energia radiada é fortemente dependente da geometria do circuito, e baseado nestes princípios tem-se o funcionamento das antenas rádio-transmissoras: correntes elétricas variáveis no tempo são estabelecidas nos elementos dessas antenas - elementos estes geometricamente dispostos a fim de maximizar a radiação; nelas, devido à permanente variação da corrente - mantida via geradores de correntes alternadas - tem-se a contínua emissão de ondas eletromagnéticas. Maiores detalhes podem ser obtidos em artigos específicos destinados ao estudo das telecomunicações, das antenas, do eletromagnetismo e das ondas eletromagnéticas.

A parcela de energia de interesse no escopo deste artigo corresponde à energia diretamente armazenada na corrente elétrica ou campo magnético associado uma vez que estes tenha se estabelecido no circuito. Aparte a questão de que pode-se com igual valor afirmar ou que a energia encontra-se armazenada no campo magnético ou que esta encontra-se armazenada na distribuição de corrente estabelecidos, fato é que tal energia é passível de ser completamente devolvida ao próprio circuito ao reduzirem-se a corrente elétrica e também o campo magnetostático a ela associado. Entre as duas, a ideia de associar-se a energia ao campo magnético é certamente é muito frutífera no contexto, e geralmente a mais explorada. Tem-se pois a energia magnética.

A energia transferida em virtude da tensão contra-eletromotriz desenvolvida em dispositivos como os indutores elétricos em muito guarda relação com a energia magnética, principalmente no que refere-se ao princípios envolvidos nesta transferência.

A parcela de energia associada ao acúmulo de cargas nada mais é que a energia potencial elétrica associada à distribuição de cargas elétricas no circuito, ou caso seja de preferência, associada ao campo eletrostático determinado por esta distribuição de cargas.

Diagrama de um circuito elétrico contendo uma fonte de tensão (VE), um indutor (L1), um capacitor(C1), um resistor (RL), uma chave liga-desliga (CH!), e um elemento não linear, no caso, um diodo (D1). Os capacitores armazenam energia elétrica em vista dos campos elétricos devidos ao acúmulo de cargas elétricas suas placas. Os indutores armazenam energia magnética em vista dos campos magnéticos que os rodeiam quando estes encontram-se percorridos por correntes elétricas.

O magnetismo e a matéria

É sabido que as partículas atômicas fundamentais - elétrons, prótons e nêutrons - possuem momentos angulares intrínsecos, e que os prótons e elétrons, em virtude de serem partículas carregadas, também possuem momentos magnéticos intrínsecos. Também é sabido que os elétrons encontram-se dotados de energia cinética, e por tal em movimento, ao redor dos respectivos núcleos em uma estrutura atômica neutra, e que as partículas que compõem o núcleo também não encontram-se estáticas na estrutura que juntas formam.[23]

É certamente de se esperar, pois, que a interação magnética seja pertinente à compreensão da estrutura atômica e da matéria conforme concebida hoje, e que toda e qualquer matéria, de forma sensível aos sentidos humanos ou não, responda, de alguma forma e com alguma intensidade, ao menos microscopicamente, às influências externas de origem magnética (a campos magnéticos).

É sabido que uma das parcelas da interação magnética total que a matéria exibe frente à influências magnéticas externas - interação total esta certamente dependente das particularidades de cada material - é traduzida por uma tênue repulsão magnética entre o objeto e as fontes magnéticas externas, e que esta parcela, mesmo que em um significativo número de casos mostre-se mascarada por parcelas atrativas ou repulsivas muito mais intensas, encontra-se sempre presente. Materiais que possuem estruturas que não impliquem outras parcelas além desta pequena repulsão são enquadrados em uma classe de materiais designada por materiais diamagnéticos. O diamagnetismo, embora não implique que todos os materiais sejam diamagnéticos, é pois inerente à estrutura de toda a matéria.

É importante de antemão ressaltar ao se estudar a relação entre magnetismo e matéria que os campos em consideração são, assim como para o caso elétrico, salvo exceções explícitas, os campos macroscópicos, ou seja, os campos termodinamicamente mensuráveis. Os campos macroscópicos correspondem ao valores médios das flutuações inerentes dos vetores campo magnéticos ou elétricos nos pontos em consideração, flutuações estas decorrentes da complexa dinâmica das partículas que compõem a matéria em si.

Cita-se que os campos magnético e elétrico nas proximidades de um elétron são certamente muitíssimos maiores do que quando este encontre-se apenas um pouco distante do ponto em consideração. O valor real do campo em um dado ponto da estrutura da matéria pode sofrer variações consideráveis tanto em módulo como em sentido em curtíssimos intervalos de tempo, contudo, os valores médios adequadamente associados representam o estado termodinâmico do sistema e o comportamento macroscopicamente mensurável da matéria, constituindo estes últimos o alvo de estudo em questão. Recursos oriundos do formalismo termodinâmico aplicam-se indubitavelmente com justo valor ao estudo dos sistemas vinculados.

Antes que se siga adiante na busca por uma compreensão mais detalhada acerca dos mecanismos de respostas da matéria frente à influências magnéticas externas deve-se primeiro fazer uma descrição fenomenológica e estabelecer o conceito de magnetização.

Magnetização

O termo magnetização refere-se ao fenômeno de resposta da matéria frente a campos magnéticos excitantes, na maioria dos casos frente a campos excitantes externos. Quando se imerge um pedaço de matéria qualquer em uma região onde há uma campo magnético preexistente, a estrutura deste material responde ao campo no qual fora imerso mediante a produção de um campo magnético próprio, cuja intensidade e orientação dependem não apenas do campo externo excitante como também das propriedades do material que compõe o objeto em questão. Diz-se então que o material encontra-se magnetizado.

A magnetização do material mostra-se, nos casos mais simples - para materiais isotrópicos, homogêneos e não fortemente magnetizáveis - diretamente dependente do campo magnético excitante. Em tais casos a magnetização é nula quando o campo magnético indutor também é nulo, e cresce gradualmente, a favor (paramagnetismo) ou contra (diamagnetismo) - mas contudo paralela - ao campo excitante a medida que a intensidade deste último aumenta. Entretanto, em casos mais específicos - o que depende diretamente da natureza e estrutura do material em questão - a magnetização pode relacionar-se com o campo magnético externo de formas bem mais complicadas, havendo a necessidade do uso de tensores ou ferramentas matemáticas mais avançadas para descrevê-la, e em casos extremos, esta pode inclusive depender do histórico de exposição às influências magnéticas externas[26] - fenômeno notoriamente visível em materiais que exibem memória e histerese magnéticas.

Materiais que possuem histerese magnética podem encontrar-se magnetizados mesmo na ausência de campo excitante em um dado momento, e podem, em virtude de seu histórico, exibir magnetização nula mesmo quando imersos em campos excitantes não nulos.

Os ímãs permanentes são compostos por materiais que apresentam, em seu estado de equilíbrio termodinâmico ou em estados metastáveis com longos tempos de vida - uma magnetização notoriamente não nula. Embora tais materiais certamente respondam a campos excitantes externos de forma que a sua magnetização total mostre-se não obstante também dependente da excitação externa, os imãs permanentes diferem dos demais materiais por associar-se a eles uma parcela de magnetização permanente não nula com origem na própria estrutura do material - com um certo abuso de linguagem, com origem em uma "autoexcitação" magnética - sendo esta parcela em específico para a maioria dos casos completamente independente de uma excitação magnética externa.

Classes magnéticas

A resposta da matéria à presença de um campo magnético excitante ou mesmo o fato desta possuir ou não uma magnetização permanente encontra-se diretamente relacionada às propriedades particulares de cada material a se considerar. Possuindo momentos de dipolo intrínsecos, a forma como as partículas fundamentais integrantes da matéria interagem e se distribuem para formar um átomo, íon ou molécula - sendo de particular relevância os elétrons, seus orbitais e a distribuição eletrônica nas estruturas que formam - bem como a maior ou menor interação entre átomos, íons e/ou moléculas vizinhas fazem com que materiais diferentes possam apresentar comportamentos magnéticos macroscópicos e respostas a um campo magnético externo também bem diferentes. No estudo do magnetismo convencionou-se dividir os diversos materiais em classes magnéticas a fim de sistematizar a compreensão dos diversos comportamentos magnéticos observados. As estruturas materiais são pois classificadas em cinco classes magnéticas, cada qual caracterizada por um certo conjunto de propriedades particulares. São elas: a classe dos materiais diamagnéticos, dos paramagnéticos, dos ferromagnéticos, dos antiferromagnéticos e por fim a classe dos materiais ferrimagnéticos.

Não encontra-se no escopo da discussão que se segue os pormenores acerca dos modelos teóricos que elucidam as características de interação pertinentes a cada grupo, sendo doravante fornecida apenas os argumentos teóricos fundamentais. Dada a extensão, detalhes teóricos acerca de cada classe implicam por si só à edição de artigo específico para cada classe ("Ver artigo principal").

aplicações

Aplicações

Diante de tantas aplicações do magnetismo em nossa vida moderna, é um tanto surpreendente saber que, quando Hans Christian Ørsted estabeleceu a conexão entre eletricidade e magnetismo, a única aplicação relevante desse último efeito era nas já há muito conhecidas bússolas. Com a descoberta dos efeitos magnéticos da eletricidade a situação começou a mudar rapidamente. Um dos primeiros avanços técnicos implementados foi a invenção e difusão do telégrafo.

Um conversor eletromecânico fundado na atração magnética entre um eletroímã e uma alavanca interpotente com material ferromagnético ao centro era usado para perfurar uma fita de papel em uma sequência de pontos e traços que, obedecido um padrão predeterminado pelo código Morse, permitiu pela primeira vez a transmissão de informações a longas distâncias de maneira praticamente instantânea. Fios telegráficos espalharam-se acompanhando as linhas férreas por todos os lados, trazendo a humanidade à era da comunicação elétrica.

conversão

Conversores eletromecânicos

Um conversor eletromecânico é um dispositivo capaz de converter energia elétrica em energia mecânica, ou seja, de produzir movimento a partir de correntes elétricas; quase sempre fazendo-o de forma a utilizar diretamente os efeitos associados ao magnetismo. A exemplo os motores certamente são conversores eletromecânicos, encontrando-se o princípio de funcionamento desses já discutido nesse artigo. Há, além dos motores elétricos, outros conversores eletromecânicos mais simples, contudo também muito difundidos. Os tradicionais relés, e os alto-falantes, são exemplos típicos pertinentes ao caso.

Em um relé um eletroímã gera um campo magnético de forma a atrair um elemento móvel - constituído de material ferromagnético - situado em suas proximidades, provocando assim o movimento do sistema mecânico a ele acoplado. Ao cessar a corrente no eletroímã, molas geralmente cuidam de fazer o sistema mecânico retornar a posição inicial de forma que o processo possa se repetir. Nos relés propriamente ditos o circuito mecânico aciona ou desliga um ou mais interruptores elétricos, permitindo assim o controle de correntes elétricas elevadas por uma corrente elétrica de valor bem menor, a corrente da bobina do relé.

Um mecanismo muito similar aos dos relés é encontrado nas trancas automáticas quer de portas residenciais quer em automóveis, encontrando-se a diferença essencialmente no dispositivo conectado ao conversor eletromecânico. No caso da tranca o mecanismo móvel aciona a trava da porta e não o contato elétrico característico do relé. Há casos em que ele aciona os dois, havendo também um interruptor conectado ao mecanismo a fim de indicar a posição atual da trava.

Nos alto-falantes há a inversão de papéis, permanecendo agora o material magnético, no caso um ímã permanente, em repouso, enquanto a bobina é fixada ao dispositivo móvel, no caso um diafragma de papel ou similar. O movimento do diafragma tem por fim comprimir ou rarefazer o ar à sua volta, sendo o alto-falante estruturado de forma a produzir som audível segundo os padrões determinados pela corrente elétrica que se faça circular pela bobina móvel. Em uma explicação simplificada, se a corrente é feita circular em um sentido, o eletroímã formado pela bobina terá polos alinhados com os polos do ímã permanente, o que leva a uma atração entre a bobina e o ímã. A bobina e o diafragma movem-se para dentro, sugando assim o ar à frente do alto-falante. Fazendo-se a corrente circular em sentido contrário os polos do eletroímã se invertem, e se no primeiro caso houve atração, agora verifica-se uma repulsão entre a bobina e o ímã. Tanto a bobina como o diafragma movem-se para fora, pressionando o ar à frente do alto-falante.

A figura ao lado revela a estrutura interna de um alto-falante. Sobressaindo ao centro, similar a uma lata metálica, em papel laminado, o suporte sobre o qual assenta-se a bobina, esta não visível na figura. O ímã, também não visível, com conhecida geometria em forma de anel de espessas paredes, fixa-se sob o chassi metálico. A bobina move-se no interior do orifício no ímã. Há ainda, delimitando a bobina pela parte de dentro, um núcleo de material ferromagnético, esse de tonalidade metálica prateada, bem ao centro na figura. Esse núcleo, também fixo, acopla-se ao ímã de forma a criar um campo magnético sempre perpendicular às espiras na bobina; condição essencial a um melhor desempenho do alto-falante.

Os microfones ditos microfones dinâmicos têm estrutura interna análoga à dos alto-falantes, sendo apenas redimensionadas para uma melhor qualidade na conversão da energia mecânica em elétrica. Trata-se de um conversor "mecanoelétrico", ou seja, um conversor eletromecânico que converte energia mecânica em elétrica. Como recurso emergencial, um alto-falante funciona razoavelmente bem no lugar de um microfone dinâmico. O movimento da bobina induzido pela recepção de sons no diafragma faz variar o fluxo magnético através dessa. Em acordo com a Lei da Indução de Faraday, ter-se-á nos terminais de conexão da bobina uma tensão elétrica diretamente associada ao sinal sonoro sendo recebido. Esse sinal elétrico reproduz o sinal sonoro recebido, e pode ser encaminhado a etapas eletrônicas seguintes, a exemplo, amplificadores e alto-falantes potentes.

Televisores

Os efeitos de campos magnéticos sobre elétrons ou íons quando em movimento no vácuo são amplamente explorados em diversos dispositivos, encontrando-se um deles, ao contrário do que a complexidade associada ao vácuo e à produção de tais partículas carregadas livres possa sugerir, presente no cotidiano de todos. Trata-se da conhecida televisão com tubo de raios catódicos.

Em um tubo de imagem por raios catódicos um canhão de elétrons termoemitidos produz um feixe eletrônico que é acelerado em direção à tela por um campo elétrico intenso estabelecido entre uma tela metálica perfurada (anodo) colocada imediatamente antes da camada fosforescente onde formar-se-á a imagem e o canhão de elétrons no outro extremo do tubo (catodo). A imagem é desenhada um ponto por vez controlando-se a maior ou menor intensidade do feixe incidente.

Campos magnéticos gerados em bobinas colocadas em torno do pescoço do tubo cuidam da deflexão tanto vertical quanto horizontal do feixe de elétrons, determinando assim o ponto de incidência do feixe sobre a tela. Há dois circuitos, os circuitos de deflexão vertical e horizontal, que produzem as correntes necessárias nas bobinas de forma a fazer o feixe varrer toda a tela de forma periódica, iniciando no canto superior esquerdo e terminando no canto inferior direito, uma linha por vez. Os campos magnéticos, conforme dito, não são capazes de alterar a velocidade dos elétrons no feixe, mas são capazes de mudar a direção de movimento dos mesmos.

Há no tubo diversos elementos, tanto elétricos como magnéticos, destinados ao foco do feixe sobre a tela fosforescente. Na figura vê-se também uma bobina destinada a esse fim. Essa encontra-se mais presente em televisores coloridos do que em televisores preto e branco dado ser o primeiro em verdade similar a três televisores preto e branco montados em um único tubo. O tubo colorido encerra nesse caso três canhões de elétrons, e uma máscara perfurada (tela matizadora - o anodo) cuida de garantir que cada feixe produzido acerte apenas os pontos fosforescentes correspondentes a uma das cores primárias. A tela é recoberta nesse caso por materiais fosforescentes de três cores diferentes ao invés do tradicional material fosforescente branco presente tubos monocromáticos, sendo dispersos em um padrão simétrico de pontos (ver figura).

As bobinas de deflexão nas televisão com tubo de raios catódicos são montadas sobre uma estrutura de material ferrimagnético. O conjunto é usualmente denominado yoke.

Não é necessário citar que as bobinas encontram-se presentes em praticamente todos os circuitos eletrônicos de uma televisão. Assim como no rádio, há nessa também ao menos um alto-falante.

Armazenamento de dados

Uma das aplicações de materiais com propriedades magnéticas de grande importância na sociedade moderna encontra-se atrela ao armazenamento de dados, quer analógicos quer digitais. Todos que possuem um computador e nele mantêm dados importantes arquivados sabem o quão traumático pode ser a informação de que o disco rígido de sua máquina foi danificado. Em tempos modernos o uso de cartões de crédito também não é estranho a ninguém, e todos estão certamente cônscios da existência de trajas magnéticas no verso desses, tarjas que carregam magneticamente arquivadas as informações importantes a respeito do proprietário, de sua conta e do cartão em si. Até cartões de telefone hoje têm os créditos armazenados em tarjas magnéticas.

Os primeiros dispositivos de armazenamento magnético de informação de amplo acesso foram as fitas, de acesso sequencial, muito populares há décadas atrás como meio para distribuição de músicas, quer na forma de rolos (tapes), quer na forma compacta em caixas de plástico (cassete). Enquanto os tapes destinavam-se ao uso profissional, o cassete caiu rapidamente em domínio público.

As fitas magnéticas eram em essência fitas de plástico flexível e resistente, sempre recobertas com material ferromagnético adequado. Eram posteriormente protegidas com uma camada lubrificante, o que impedia a destruição da mídia magnética quando em atrito com a cabeça de leitura/gravação.

A cabeça de leitura/gravação consistia de uma bobina montada em estrutura adequada capaz de gerar campos magnéticos alternados com amplitude determinada pelo dado a ser gravado, campos que determinavam a magnetização do material ferromagnético impregnado na fita à medida que essa se deslocava sobre a cabeça. A bobina também era capaz de sentir a alternância e a amplitude da magnetização presente na fita à medida que essa se deslocava sobre a cabeça, permitindo assim a recuperação da informação outrora gravada. Em equipamentos de melhor qualidade as cabeças de gravação e leitura eram distintas, e havia uma cabeça exclusivamente destinada a apagar as informações na fita.

Sempre tendo por base o mesmo princípio de funcionamento, a fita cassete foi seguidas pela sua irmã gêmea de maior porte, adequadamente redimensionada ao arquivamento não apenas de áudio mas também de imagens. Inicialmente também disponíveis na forma de rolos (tapes), essas podem ser encontradas às centenas em locadoras de vídeo, ainda na atualidade, em sua forma cassete tradicional. Os tradicionais gravadores videocassetes, embora hoje obsoletos em virtude do advento dos DVDs, são ainda facilmente encontrados ao lado de muitas televisões.

Tradicionalmente armazenam-se dados analógicos em fitas cassete em virtude do acesso sequencial inerente. Os tapes certamente foram empregados, contudo, em sistemas de armazenamento de dados digitais nos primórdios da era digital. Os bancos de dados foram durante longa data guardados em gravadores de rolo que permitiam, embora de forma lenta, o acesso aleatório aos dados arquivados na fita. Marcações de posição eram arquivadas junto aos dados, e os equipamentos tinham a capacidade de posicionar a fita em posição especificada, se de forma rápida para a época, de forma muitíssimo lenta se comparado ao acesso aleatório encontrado em dispositivos modernos, a exemplo nos discos rígidos. Nos primórdios da informática em domínio público havia nos computadores pessoais uma saída destinada à conexão de um gravador cassete comum - dispositivo normalmente utilizado para a reprodução ou gravação de sons - que permitiam o arquivamento de dados digitais quer relativos aos programas quer relativos ao conteúdo gerado pelo usuário nas fitas cassete. O acesso era contudo sistemático, sequencial e lento.

Os tradicionais disquetes utilizados para armazenamento de dados digitais foram desenvolvidos em virtude da ineficiência das fitas proverem acesso aleatório e rápido aos dados digitais. Inicialmente em tamanho família e flexíveis, os disquetes rapidamente evoluíram de forma a terem seu tamanho reduzido e sua capacidade de armazenamento de dados aumentada, sendo as últimas versões distribuídas em caixas de plástico resistentes e não flexíveis. Os primeiros disquetes tinham dimensões da ordem de 8 polegadas e arquivavam meros 80 quilobytes, isso na década de 70. Na década de 90 e na década do milênio seguinte os disquetes eram tradicionalmente encontrados com tamanho de 3 polegadas e meia e capacidade de armazenamento de 1,44 megabytes.

O princípio dos disquetes levou rapidamente aos discos rígidos tradicionalmente encontrados nos computadores modernos. Os últimos avanços na área devem-se à magnetorresistência gigante (GMR), tecnologia que permitiu a popularização de discos capazes de armazenar alguns terabytes de dados. No prólogo do corrente artigo tem-se uma figura ilustrativa e a descrição do princípio de funcionamento de um disco rígido.

Para finalizar, um olhar mais atento elucida que o magnetismo encontra-se presente não apenas na mídia em si responsável pelo arquivamento dos dados como também nos mecanismos necessário ao movimento da cabeça de leitura/gravação e da própria mídia magnética (fita ou disco), em praticamente todos os esquipamentos de armazenamentos de dados tradicionais. É por tal simplesmente essencial à área.

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Eletromagnetismo

Eletromagnetismo (AO 1945: electromagnetismo) é o ramo da física que estuda unificadamente os fenômenos da eletricidade e do magnetismo.[1][2] Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético.

O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força eletromagnética quando associada a ímãs.

A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão).[1] Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.

História

Ver artigo principal: História do eletromagnetismo

Desde a Grécia Antiga, fenômenos magnéticos e elétricos são conhecidos. Mas foi somente no início do século XVII que se começaram a formular explicações científicas destes fenômenos.[3] Durante estes dois séculos, XVII e XVIII, célebres cientistas como William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin e Alessandro Volta, entre outros, dedicaram-se a investigar estes dois fenômenos separadamente e chegaram a conclusões coerentes com seus experimentos.

No início do século XIX, Hans Christian Ørsted obteve evidência empírica da relação entre os fenômenos magnéticos e elétricos. A partir daí, os trabalhos de físicos como André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm, Michael Faraday foram unificados por James Clerk Maxwell em 1861 por meio de equações que descreviam ambos os fenômenos como um só: o fenômeno eletromagnético.[3] Esta unificação foi uma das grandes descobertas da física no século XIX.

As chamadas equações de Maxwell demonstravam que os campos elétricos e magnéticos eram manifestações de um só campo eletromagnético. Além disso, descreviam a natureza ondulatória da luz, mostrando-a como uma onda eletromagnética.[4]

Com uma teoria única e consistente, que descrevia os dois fenômenos anteriormente julgados distintos, os físicos puderam realizar vários experimentos prodigiosos e inventos úteis, como a lâmpada elétrica (Thomas Alva Edison) ou o gerador de corrente alternada (Nikola Tesla).[5] O êxito preditivo da teoria de Maxwell e a busca de uma interpretação coerente das suas implicações foi o que levou Albert Einstein a formular sua teoria da relatividade, que se apoiava em alguns resultados prévios de Hendrik Antoon Lorentz e Henri Poincaré.[1]

Na primeira metade do século XX, com o advento da mecânica quântica, o eletromagnetismo teve sua formulação refinada, com o objetivo de adquirir coerência com a nova teoria. Isto se conseguiu na década de 1940, quando se completou a teoria quântica eletromagnética, mais conhecida como eletrodinâmica quântica.

A força eletromagnética

A força que um campo eletromagnético exerce sobre cargas elétricas, chamada força eletromagnética, é uma das quatro forças fundamentais. As outras são: a força nuclear forte(que mantém o núcleo atômico coeso), a força nuclear fraca (que causa certas formas de decaimento radioativo), e a força gravitacional.[1] Quaisquer outras forças provêm necessariamente dessas quatro forças fundamentais.

A força eletromagnética tem a ver com praticamente todos os fenômenos físicos que se encontram no cotidiano, com exceção da gravidade. Isso porque as interações entre os átomos são regidas pelo eletromagnetismo, já que são compostos por prótons e elétrons, ou seja, por cargas elétricas. Do mesmo modo as forças eletromagnéticas interferem nas relações intermoleculares, ou seja, entre nós e quaisquer outros objetos. Assim podem-se incluir fenômenos químicos e biológicos como consequência do eletromagnetismo.

Cabe ressaltar que, conforme a eletrodinâmica quântica, a força eletromagnética é resultado da interação de cargas elétricas com fótons.

O eletromagnetismo clássico

O cientista William Gilbert propôs que a eletricidade e o magnetismo, apesar de ambos causarem efeitos de atração e repulsão, seriam efeitos distintos. Entretanto marinheiros percebiam que raios causavam perturbações nas agulhas das bússolas, mas a ligação entre os raios e a eletricidade ainda não estava traçada até os experimentos que Benjamin Franklin propôs em 1752. Um dos primeiros a descobrir e publicar as relações entre corrente elétrica e o magnetismo foi Romagnosi, que em 1802 afirmou que um fio conectado a uma pilha provocava um desvio na agulha de uma bússola que estivesse próxima. No entanto essa notícia não recebeu o crédito que lhe era devido até que, em 1820, Hans Christian Ørsted montou um experimento similar.

A teoria do eletromagnetismo foi desenvolvida por vários físicos durante o século XIX, culminando finalmente no trabalho de James Clerk Maxwell, o qual unificou as pesquisas anteriores em uma única teoria e descobriu a natureza eletromagnética da luz. No eletromagnetismo clássico, o campo eletromagnético obedece a uma série de equações conhecidas como equações de Maxwell, e a força eletromagnética pela Lei de Lorentz.

Uma das características do eletromagnetismo clássico é a dificuldade em associar com a mecânica clássica, compatível porém com a relatividade especial. Conforme as equações de Maxwell, a velocidade da luz é uma constante, depende apenas da permissividade elétrica e permeabilidade magnética do vácuo. Isso porém viola a invariância de Galileu, a qual já era há muito tempo base da mecânica clássica. Um caminho para reconciliar as duas teorias era assumir a existência de éter luminífero através do qual a luz propagaria. No entanto, os experimentos seguintes falharam em detectar a presença do éter. Em 1905, Albert Einstein resolveu o problema com a teoria da relatividade especial, a qual abandonava as antigas leis da cinemática para seguir as transformações de Lorentz as quais eram compatíveis com o eletromagnetismo clássico.

A teoria da relatividade mostrou também que adotando-se um referencial em movimento em relação a um campo magnético, tem-se então um campo elétrico gerado. Assim como também o contrário era válido, então de fato foi confirmado a relação entre eletricidade e magnetismo. Portanto o termo "eletromagnetismo" estava consolidado.

força eletromagnética

A força eletromagnética

A força eletromagnética (AO 1945: força electromagnética), ou força coulombiana, resulta da ação das atrações e repulsões elétricas e magnéticas de corpos distantes entre si.

As raízes da noção de força eletromagnética

Isaac Newton foi quem estabeleceu uma concepção causal do Universo. Segundo esta, todos os efeitos observados são causados por forças exercidas por objetos situados a uma determinada distância. A partir desta visão se iniciou a busca pela causa final de todas as forças através de uma analogia com a massa gravitacional.

Os estudos dos efeitos da força eletromagnética no final do século XVIII se ampliaram e houve a tentativa de explicar os mecanismos de interação entre os corpos.

Charles Augustin de Coulomb e Henry Cavendish observaram as substâncias eletricamente carregadas e os ímãs, estabelecendo, assim, as leis empíricas que regiam seu comportamento e que indicavam uma possível relação entre aquelas forças.

Relação entre magnetismo e eletricidade

A relação entre magnetismo e eletricidade finalmente foi descoberta em 1820 quando Hans Christian Ørsted ao aproximar uma bússola de um fio que unia os dois polos de uma pilha elétrica, verificou que a agulha imantada em vez de apontar para o Norte, orientava-se perpendicularmente ao condutor elétrico.

Na mesma época Dominique François Arago descobriu que o ferro adquiria propriedades magnéticas nas proximidades de uma corrente elétrica e André-Marie Ampère ao envolver uma barra de ferro com um condutor enrolado em helicoidal criou o primeiro eletroímã e executou os estudos que levaram aos fundamentos da eletrodinâmica.

Seguindo a concepção de Universo formulada por Newton onde todo efeito observado na matéria obedece aos efeitos de forças exercidas por objetos situados à distância a teoria eletromagnética propôs que as atrações e repulsões magnéticas e elétricas resultavam de interações mútuas nos corpos através do espaço.

Neste contexto se deu a busca da causa final dessas forças, procurando-se similaridades entre a massa gravitacional de Newton e os mecanismos de interação eletromagnética entre os corpos.

Ampère e Faraday

André-Marie Ampère, pesquisando sobre correntes elétricas, expôs uma teoria que afirmava a existência de partículas elementares que se deslocavam no interior das substâncias e que este deslocamento poderia ser a causa dos efeitos magnéticos. Porém, apesar da busca, jamais encontrou as tais partículas.

Durante o século XIX Michael Faraday e James Clerk Maxwell continuaram os trabalhos de seus antecessores nas descobertas das leis que regem a força eletromagnética, o eletromagnetismo e a eletrodinâmica.

Em seu trabalho Faraday concebeu que o espaço entre os objetos eletricamente carregados era composto de linhas de força e que estas eram correntes de energia invisíveis e mensuráveis que comandavam o movimento dos corpos.

Segundo Faraday as linhas de força eram criadas pela presença mútua dos objetos entre si. Introduziu neste momento a ideia de campo de força, onde uma carga elétrica móvel produz perturbações eletromagnéticas em volta de si e estas são linhas de campo que interam com outra carga próxima.

James Clerk Maxwell desenvolveu matematicamente o modelo dos campos de força que vieram a alterar a visão de que forças agiam sob uma espécie de controle remoto.

Joseph John Thomson, seguindo as ideias e teorias matemáticas de seus antecessores, observando em 1897 os desvios dos feixes de raios catódicos na presença de um campo elétrico, acabou por deduzir a existência de uma partícula chamada elétron.

O eletromagnetismo confirmou então a origem da força eletromagnética através do movimento orbital atômico dos elétrons ao redor dos núcleos dos átomos. E passou a estudar não só a força eletromagnética, mas também relações elétricas e magnéticas da matéria, sendo então considerado como uma verdadeira disciplina científica.

espectro eletromagnético

Espectro Eletromagnético

O espectro (português brasileiro) ou espetro (português europeu) eletromagnético é o intervalo completo de todas as possíveis frequências da radiação eletromagnética. O espectro eletromagnético se estende desde as ondas de baixa frequência, ondas de rádio, até as de maior frequência como as da radiação gama.

Descoberta

Durante muito tempo, a luz era a única parte conhecida do espectro eletromagnético. Os gregos antigos tinham a noção de que a luz viajava a forma de linhas retas, chegando a estudar algumas de suas propriedades, que fazem parte do que atualmente denominamos óptica geométrica. Foi somente nos séculos XVI e XVII que o estudo da luz passou a gerar teorias conflitantes quanto a sua natureza.

A primeira descoberta de ondas eletromagnéticas além da luz ocorreu em 1800, quando William Herschel descobriu a radiação infravermelha.[1] Em seu experimento, Herschel direcionou a luz solar através de um prisma, decompondo-a, e então mediu a temperatura de cada cor. Ele descobriu que a temperatura aumentava do violeta para o vermelho, e que a temperatura mais alta se encontrava logo após o vermelho, numa região em que nenhuma luz solar era visível.

No ano seguinte, Johann Wilhelm Ritter realizou estudos na outra ponta do espectro visível e percebeu a existência do que ele chamou de "raios químicos" (raios de luz invisíveis que provocavam reações químicas), que se comportavam de forma semelhante aos raios de luz violeta visíveis, mas que estavam além deles no espectro. O termo "raios químicos" foi posteriormente renomeado radiação ultravioleta.

A radiação eletromagnética foi pela primeira vez relacionada com o eletromagnetismo em 1845, quando Michael Faraday percebeu que a direção de polarização da luz que passava por um material transparente respondia a um campo magnético. Esse fenômeno foi mais tarde denominado Efeito Faraday. Durante a década de 1860, James Maxwell mostrou que, a partir das equações de Maxwell, era possível encontrar uma equação de onda para descrever a propagação do campo elétrico e outra para o campo magnético. Analisando a velocidade dessas ondas do ponto de vista teórico, Maxwell descobriu que elas deviam viajar à velocidade da luz, o que o levou a inferir que a própria luz deveria ser uma onda eletromagnética.

As equações também previam um número infinito de frequências para as ondas eletromagnéticas, todas elas viajando à velocidade da luz. Esse foi o primeiro indício da existência que um espectro eletromagnético completo.

A previsão de ondas de Maxwell previa também ondas de frequências muito baixas, quando comparadas ao infravermelho. Na tentativa de provar as equações de Maxwell e detectar essas radiações de baixa frequência, em 1886 o físico Heinrich Hertz construiu um aparelho para gerar e detectar o que hoje chamamos de ondas de rádio.

Hertz encontrou as ondas e foi capaz de inferir, medindo seu comprimento e frequência, que elas viajavam à velocidade da luz. Hertz também demonstrou que a nova radiação poderia ser refletida e refratada, da mesma forma que a luz.

Em 1895 Wilhelm Röntgen percebeu um novo tipo de radiação emitida durante um experimento com um tubo com vácuo sujeito à alta voltagem. Ele chamou essa radiação de raios-X e descobriu que eles eram capazes de atravessar partes do corpo humano mas eram refletidos ou parados por materiais densos, como os ossos, e passaram a ser amplamente usados na medicina.

A última porção do espectro eletromagnético foi completado com a descoberta dos raios gama. Em 1900 Paul Villard estava estudando as emissões radiativas do radium quando ele identificou um novo tipo de radiação que ele primeiramente pensou se tratar de partículas semelhantes às conhecidas partículas alfa e beta, mas com a propriedade de serem bem mais penetrantes que ambas.

Entretanto, em 1910 o físico William Henry Bragg demonstrou que os raios gama eram uma radiação eletromagnética, e não partícula, e em 1914, Ernest Rutherford (que havia nomeado a radiação de raios gamas em 1903 quando percebeu que eles eram fundamentalmente diferentes de partículas alfa e beta) e Edward Andrade mediram seus comprimentos de onda e descobriram que os raios gama eram semelhantes ao raio-x, porém com comprimentos menor e maior frequência.

Interações

As interações eletromagnéticas interagem com a matéria de diferentes formas ao longo do espectro. Os tipos de interações podem ser tão diferentes que se pode referir a elas como diferentes tipos de radiações. Ao mesmo tempo há uma continuidade entre as diferentes radiações. Por este motivo, dividimos o espectro baseado em suas diferentes interações com a matéria.

Região do Espectro

Raios gama de alta energia

Principais Interações com a Matéria

Oscilações coletivas de partículas (oscilação plasma). Um exemplo seria a oscilação de elétrons em uma antena.

Oscilação plasma, rotação molecular

Vibração molecular, oscilação plasma (apenas em metais)

Excitação de elétron molecular, oscilação plasma (apenas em metais)

Excitação molecular e de elétrons de valência, incluindo ejeções de elétrons (efeito fotoelétrico)

Excitação e ejeção de elétrons, Efeito Compton (para números atômicos baixos)

Ejeção energética de elétrons do átomo, Efeito Compton (para todos os números atômicos), excitação do átomo do núcleo, incluindo dissociação do núcleo

Criação de pares de partícula-antipartícula. Um único fóton de alta energia pode criar várias partículas de alta energia e antipartículas através da interação com a matéria

Linguagens de Programação comuns

Histórico de Evolução principal

Linguagens de Programação comuns

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Histórico de Evolução principal

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Technology HighLights, 2019

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Magnetismo

Polos e dipolos magnéticos

CAMPOS MAGNÉTICOS

O dipolo e o campo magnéticos

Funcionamento

Tipos de motores

Motores de corrente contínua

Motores de corrente alternada

História

O magnetismo e a matéria

Magnetização

Classes magnéticas

História

A força eletromagnética

O eletromagnetismo clássico

As raízes da noção de força eletromagnética

Relação entre magnetismo e eletricidade

Ampère e Faraday

Descoberta

Interações

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