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Estudos de eletricidade
(Parte1)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

O 'compasso'
Pela metade do século dezoito, a máquina de calor tinha-se estabelecido como elemento essencial do domínio do homem sobre o seu ambiente. De fato, foi o sucesso da máquina a vapor que atraiu a atenção de homens como Carnot, Watt e Thompson para o estudo do calor. A energia química contida nos combustíveis fósseis ou orgânicos tinha suplementado a força dos cavalos e da água corrente muito antes que qualquer progresso real fosse realizado em nossos conhecimentos sobre a termodinâmica. No campo da eletricidade e do magnetismo, as coisas aconteceram de modo muito diferente, no sentido de que receberam pouco encorajamento ou estímulo da tecnologia existente.

Isto não significa que o homem nada sabia sobre a eletricidade ou o magnetismo, antes dos tempos modernos. Um óxido de ferro magnético pode ser encontrado em muitas partes do mundo, e a literatura grega contém grande quantidade de referências à magnetita. Os antigos sabiam que ela pode atrair pedaços de ferro, e que o ferro comum pode ser magnetizado, quando é atritado contra um pedaço de magnetita. Acredita-se que os chineses sabiam, além disso, que um ímã aponta para o norte e para o sul, quando pode girar livremente. No século doze, esta notável propriedade tornou-se conhecida na Europa, e o compasso tornou-se um novo e importante instrumento utilizado na navegação. Os gregos estavam também familiarizados com uma curiosa propriedade do âmbar, resina natural de origem vegetal. Quando o âmbar é friccionado, atrai pequeninos pedaços de papel e poeira. Entretanto, além dessas observações elementares e 'poderes místicos', nada se conhecia sobre a eletricidade e o magnetismo, até que passaram a ser objeto de estudo científico.

A primeira investigação experimental sobre o magnetismo foi relatada por Picard Peregrinus em 1269. Peregrinus utilizou uma magnetita esférica, marcando nela dois pólos onde sua atração magnética parecia especialmente forte. Verificou também a tendência de um pólo para procurar a direção norte, enquanto o outro procura a direção sul. Descobriu que pólos iguais se repelem, e que pólos diferentes se atraem; descobriu ainda que uma magnetita pode ser partida em dois pedaços, formando dois ímãs em lugar de um. Peregrinus verificou igualmente a semelhança magnética entre uma magnetita esférica e a terra. Ambas influenciavam uma pequena agulha de bússola, de maneira muito semelhante. Não obstante, os escritores dos séculos seguintes continuaram a supor que a agulha da bússola aponta para a Estrela do Norte, a Grande Ursa, ou para alguma misteriosa montanha localizada no norte.

Formas primitivas de compasso, usualmente, nada mais eram que um pequeno pedaço de ferro magnetizado flutuando sobre madeira e colocado sobre um recipiente de madeira cheio com água. 'Compasso' é o nome dessa estrutura toda que contém como elemento básico o magneto.  Mais tarde apareceram a agulha com pino e o cartão do compasso --- um disco dividido nos trinta e dois "pontos" iguais do compasso. As bússolas eram montadas de tal maneira que virtualmente não eram afetadas pelos movimentos de um navio.

Além de sua utilidade óbvia como instrumento capaz de indicar o norte, o compasso tinha outra característica que levantou o interesse dos navegadores. Durante o século quinze, descobriu-se que a agulha do compasso não aponta precisamente para o pólo geográfico verdadeiro, sendo inclinada segundo um pequeno ângulo, em relação à direção norte-sul verdadeira. Este ângulo varia de lugar para lugar, sendo ocasionalmente igual a zero, como observou Colombo em sua viagem de 1492. 0 desvio angular da agulha do compasso em relação ao norte verdadeiro foi chamado de "desvio magnético", ou variação do compasso".

A 'variação do compasso' foi medida em várias partes do mundo durante grande parte do século dezesseis. Essas medidas naturalmente tiveram um motivo prático. Um navegador desejava saber e compensar a variação que existisse em qualquer lugar que estivesse. Mas havia também uma esperança de que a variação magnética pudesse fornecer uma solução para o inquietante problema da determinação da longitude no mar.
Para ilustrar, imaginemos uma linha (chamada "isogônica") traçada em um mapa e que passe por todos os pontos que tenham um 'desvio magnético' de 5o oeste, por exemplo. Imaginemos agora outras isogônicas traçadas para muitos outros desvios
magnéticos. Elas formam uma rede de linhas que interceptam os paralelos de latitude. Com esta informação, um navegador podia descobrir sua posição no mar, por meio da medida de sua latitude e do desvio magnético. Sua posição seria a interseção das duas linhas. Mas logo se observou que a desvio magnético varia ligeiramente de ano para ano, de maneira que o sistema não tinha valor permanente.

Em 1544, foi descoberta por Georg Hartmann, clérigo alemão, outra propriedade inesperada da agulha magnética. Ela foi redescoberta independentemente por Robert Norman, fabricante inglês de bússolas, em 1576. Esses dois homens descobriram que se uma agulha de compasso for suspensa por seu centro de gravidade, de tal maneira que fique livre para movimentar-se tanto vertical quanto horizontalmente, ela não ficará na posição horizontal, quando estiver em repouso, mas inclinar-se-á para baixo, em geral, em um ângulo chamado "mergulho" ou "inclinação", que também varia de lugar para lugar. 0 livro de Norman, The Newe Attractive (1581), continha a primeira sugestão de que o lugar para onde aponta o compasso está realmente no interior da terra.
Em 1608, Henry Hudson descobriu que a agulha do compasso ficava quase na vertical, em um lugar situado no paralelo 75 de latitude norte. Mas, como a variação do compasso, o mergulho magnético (inclinação magnética) também varia de ano para ano, bem como de lugar para lugar. Nenhum dos dois podia prover uma solução de confiança para o problema da determinação da longitude.

A Terrella de Gilbert; um Modelo da Terra
0 estudo moderno do magnetismo e da eletricidade começou com o trabalho de William Gilbert (1540 -1603). Gilbert, o maior cientista experimental inglês de seu tempo, era médico praticante em Londres. Realizou grande parte de seu importante trabalho sobre eletricidade e magnetismo enquanto era médico da Rainha Elizabeth. Seus resultados foram registrados em um grande livro, De magnete (Sobre o Ímã), publicado em 1600.

0 livro começa refutando as velhas superstições sobre os alegados poderes curativos da magnetita e, ainda hoje, há quem acredite nesses 'poderes'.

Gilbert mostra então como localizar os pólos de uma possante magnetita esférica, utilizando uma agulha minúscula de bússola suspensa sobre um eixo. A agulha do compasso é usada como um indicador sensível para fazer um mapa das propriedades magnéticas da magnetita. Gilbert colocou-a sobre a superfície da magnetita e marcou sua direção com uma linha de giz, que foi prolongada para formar um grande círculo sobre a esfera. Ela foi então deslocada, sendo traçado outro grande círculo, e assim sucessivamente. Todos os círculos passavam por dois pontos opostos da pedra --- os dois pólos magnéticos, A e B --- como se ilustra:


A Terrella de Gilbert

Quando a linha foi colocada em qualquer ponto eqüidistante de A e B --- sobre o equador magnético --- verificou-se que a agulha permanecia paralela à superfície da magnetita, como em C. 0 mergulho magnético no equador era sempre igual a zero. Entretanto, quando colocada nos pólos, a agulha ficava sempre perpendicular à superfície. Nos pontos intermediários, a inclinação da agulha em relação à superfície variava com sua distância dos pólos, como nos pontos E, F, G e H. Ele então traçou círculos paralelos ao equador, correspondendo aos lugares de igual inclinação da agulha. 0 comportamento magnético de sua magnetita globular levou Gilbert a conceber a Terra como um imenso ímã esférico. Sua magnetita experimental era meramente uma miniatura da Terra, pelo que ele a chamou de terrella.

Gilbert investigou também o efeito de dividir um ímã em dois. Começou com uma magnetita alongada, a qual tinha os pólos norte e sul conforme ilustramos:


Cortando-se uma peça magnetizada,
produz-se dois ímãs

Cortou-a então em dois pedaços aproximadamente iguais, ficando com dois ímãs separados. Os pólos originais permaneceram sem alteração, mas um novo pólo apareceu em cada uma das faces recentemente cortadas.

Foi também salientado em De Magnete que, embora a Terra faça um ímã girar (ação orientadora), ela não o desloca como um todo. Se um ímã estiver flutuando sobre um pedaço de madeira, ele gira meramente para se alinhar com a direção norte-sul. Não há tendência para o ímã deslocar-se seja para o norte ou para o sul, sob a influência do magnetismo terrestre.

Atração Elétrica
Os fenômenos elétricos eram de menor valor prático que os efeitos magnéticos, e pouco se aprendeu sobre eles, antes de Gilbert. Sabia-se que certos peixes produziam choques, o raio era um assunto familiar e era comum o fato de que o âmbar, quando friccionado, atraía objetos leves, mas não havia uma compreensão geral de que estas observações eram relacionadas entre si. Foi Gilbert quem descobriu que o poder de atração do âmbar era partilhado por muitas outras substâncias. Suas descobertas estabeleceram a ciência da eletricidade resultante da fricção (eletrização por atrito).

Ele fabricou um eletroscópio elementar e utilizou-o para detectar a presença de cargas elétricas. Seu instrumento era meramente uma agulha metálica equilibrada para girar com facilidade em torno de seu centro, que era apoiado em um suporte em ponto. Friccionava a substância em estudo, levando-a para junto de uma das extremidades da agulha. Se a fricção tivesse produzido uma carga elétrica, a agulha seria atraída e giraria em direção ao corpo eletricamente carregado.
Assim, ele descobriu que muitas substâncias além do âmbar produzem uma deflexão do eletroscópio, inclusive gemas, vidro, enxofre, cristais e resinas. Chamou-os "elétricos" porque podiam desenvolver uma atração elétrica. Os metais eram uma exceção, e ele os chamou de "não elétricos", porque não pôde eletrificá-los pela fricção. Hoje, sabemos que os metais devem ter transferido para as mãos de Gilbert, enquanto friccionados, sua carga elétrica resultante da fricção. Não ocorreu a ele isolar seus
metais, para impedir a fuga da eletricidade para a terra. Por tal razão, deixou de descobrir a repulsão elétrica.

Repulsão Elétrica
A única descoberta significativa referente à eletricidade ocorrida durante o século que se seguiu a Gilbert foi a da repulsão elétrica. Ela foi descrita claramente pela primeira vez por Otto von Guericke, o inventor da bomba de ar.
Pode-se demonstrar facilmente a repulsão elétrica, em nossa própria casa. Simplesmente coloque algumas raspas de metal sobre uma folha de papel e aproxime delas um pedaço de material plástico devidamente friccionado. As aparas serão primeiramente atraídas pelo plástico, e em seguida repelidas, algumas delas "saltando" até várias polegadas para trás.

Guericke descobriu este efeito com sua máquina elétrica de fricção. Esta consistia de uma esfera de enxofre que podia ser girada sobre um eixo de ferro, conforme ilustramos abaixo.


Máquina elétrica de von Guericke

Ele passava a mão sobre a esfera rotativa de enxofre e a fricção gerava uma carga elétrica em sua superfície. A carga atraía papel, penas e muitos objetos leves. Enquanto trabalhava com sua máquina, ele percebeu que um corpo é muitas vezes atraído para a esfera e depois repelido violentamente por ela. Tais corpos ficam então capazes de atrair outros objetos leves, como se tivessem adquirido uma carga.

Em uma das experiências, uma pena colocada entre o enxofre eletrificado e o solo, pulou para cima e para baixo, entre os dois. Primeiramente ela foi atraída pela esfera, junto à qual adquiriu uma quantidade de eletricidade; em seguida, foi repelida para o solo, onde permaneceu até que a eletricidade se escoasse para a terra. Logo após, foi uma vez mais atraída pela esfera, iniciando um novo ciclo.
Guericke descobriu também que a eletricidade pode propagar-se até a extremidade de um longo fio de linho --- o primeiro exemplo de cargas elétricas deslocando-se ao longo de um condutor elétrico. Mais tarde, ele descobriu que certos objetos podiam ser eletrificados simplesmente colocando-os junto de sua esfera de enxofre.

Todas estas observações constituíam 'mistério' para os cientistas da época, não havendo nenhuma teoria que fosse capaz de explicá-las. Por esta razão, o progresso foi extremamente lento, porque as novas descobertas tinham que ser feitas exclusivamente ao acaso, sem a orientação da especulação teórica. De todas as ciências exatas, a eletricidade foi a última a sobrepujar esta deficiência. Não foi senão depois de bem entrado o século dezoito que a pesquisa elétrica começou a beneficiar-se de indícios importantes extraídos das idéias teóricas.

Condutores e Isoladores
A descoberta da condução elétrica, feita por Guericke, foi continuada por Stephen Gray, em 1729. Seu aparelho consistia de um tubo vidro arrolhado em cada uma das extremidades, onde um fio ligado a uma das rolhas estendia-se, em distâncias variáveis, até uma bola de marfim, conforme ilustramos.


Transmissão de carga elétrica por um fio

Quando ele friccionava o tubo de vidro, descobriu que os efeitos elétricos foram transmitidos do tubo, através da rolha e do fio, até a bola de marfim, que passou a atrair uma pena. A distância máxima usada na experiência foi de 765 pés. 0 fio foi mantido acima do solo, por meio de linhas de sustentação, feitas de fios de seda. 0 uso da seda foi necessário porque os fios de material comum permitiriam à eletricidade escoar-se para a terra, e nenhuma carga poderia ser transmitida para a bola de marfim.

As experiências de Gray estabeleceram uma aguda distinção entre os materiais que podem conduzir a eletricidade de um lugar para outro (condutores elétricos), e os que não podem fazê-lo (isoladores elétricos).
Ele descobriu que alguns dos melhores isoladores são o cabelo, a seda, as resinas e o vidro, enquanto que os metais são bons condutores. Está claro agora que os "elétricos" de Gilbert eram meramente bons condutores --- substâncias que permitiam à eletricidade escoar-se para as mãos ou para o solo, tão rapidamente quanto era gerada. Os "não elétricos" de Gilbert eram isoladores --- materiais que impedem o fluxo da eletricidade e evitam que ela atinja o solo.

*** Segue Estudos de eletricidade (parte 2) ***

 


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