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Eletricidade posta a trabalhar
(Parte 11)

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

Nasce o conceito de campo ... tubos e linhas de Faraday
O jovem aprendiz de encadernador, Michael Faraday, instruiu-se com a leitura dos volumes da Enciclopédia Britânica
e outros livros de boa leitura que lhe vieram às mãos, para encadernar. Não obstante, apesar da falta de uma instrução formal, tornou-se um dos maiores cientistas de todos os tempos. A falta de conhecimentos matemáticos não o impediu de conceber um quadro teórico dos fenômenos elétricos que ainda hoje é valido.

Antes de Faraday apontar o caminho, pensava-se que as forças elétricas e magnéticas agiam através do espaço vazio. Para seu modo de pensar, tal “ação a distância” — como era chamada — não parecia fazer sentido. Quando ele via uma pedra movendo-se por um campo, esperava sempre ver uma corda puxando-a, ou um pau empurrando-a. Para compreender as forças que atuam entre as cargas ou entre os ímãs, ele teve que visualizar o espaço entre eles cheio de “algo” invisível que pode atrair ou repelir. Esse “algo” era um campo magnético ou elétrico, ou ambos, dependendo das circunstâncias.

Ele concebeu um 'campo' como um sistema de tubos invisíveis com características de borracha, que se estendem entre um par de cargas ou pólos magnéticos diferentes, puxando-os para junto um do outro. Se as cargas ou pólos tiverem o mesmo sinal, os tubos elásticos tomam uma configuração diferente, separando as cargas ou pólos. Tais tubos ou linhas de força tendem a se encolher, exatamente como uma borracha distendida. Eles exercem também uma força lateral de repulsão, uns contra os outros, tendendo a separar-se, a medida que se afastam de sua fonte.

Estas idéias revolucionárias de Faraday abriram uma nova era de desenvolvimento científico. As forças inexplicáveis que agiam a distância foram substituídas pelos campos elétricos ou magnéticos, que ocupam o espaço que fica entre as cargas e entre os ímãs. Os campos podiam ser “mapeados”, medindo-se a direção e a magnitude da força que atuava sobre uma pequena carga elétrica ou pólo magnético, em todos os pontos do campo. Empregando esta abordagem, um cientista podia calcular, ou pelo menos estimar, as forças que atuavam entre pares de objetos magnéticos ou providos de uma carga, separados por um espaço aparentemente vazio. Embora o conceito de campos elétricos e magnéticos não fosse de mais fácil compreensão que as antigas idéias relativas à ação a distância, ele fornecia um meio intermediário pelo qual tal ação podia ser propagada pelo espaço.

Faraday não combinou todas as suas idéias em leis matemáticas. Essa tarefa foi realizada por um brilhante matemático e físico escocês, chamado James Clerk Maxwell (1831-1879).

Eletromagnetismo
Maxwell nasceu em Edimburgo no mesmo ano em que Faraday publicou sua descoberta da indução eletromagnética, o princípio do gerador elétrico. Foi um excelente matemático, tendo ganho uma medalha aos quatorze anos, por um trabalho em que mostrava como desenhar uma elipse perfeita utilizando alfinetes e um fio. Em 1856, tomou-se Professor de Filosofia Natural no Mareschal College de Aberdeen, onde permaneceu até que foi designado diretor do novo Cavendish Laboratory, em Cambridge, em 1874.

Maxwell realizou importante trabalho relacionado com a teoria cinética dos gases, mas sua maior contribuição para a Ciência e para a Humanidade foi sua teoria do eletromagnetismo. Combinou todos os conhecimentos sobre eletricidade e magnetismo em duas equações matemáticas que ainda são fundamentais, não apenas para o ramo da eletricidade, como para toda a Física. Elas representam um feito extraordinário, comparável às leis de Newton sobre o movimento, conquistando profunda admiração de todas as gerações de cientistas que se seguiram. Todos os progressos posteriores, tais como a mecânica do quantum e a relatividade, pressupõem familiaridade tanto com as leis de Newton, como com as equações de Maxwell.

A aplicação destas equações requer conhecimento de uma forma de matemática mais elevada — o cálculo — de maneira que uma discussão matemática a respeito delas está além do escopo desta divulgação científica. Não obstante, podemos ter uma visão do significado das maravilhosas equações de Maxwell, sem recorrermos aos métodos matemáticos.

Já adquirimos uma noção dos campos elétricos e magnéticos, e de sua representação física pelas linhas de força de Faraday. A direção de cada linha de força representa a direção do campo elétrico ou magnético, naquele ponto particular. Isto significa simplesmente que a direção de um campo elétrico em um certo lugar é a direção na qual uma pequena carga positiva se deslocaria, se estivesse colocada naquele lugar. Similarmente, a direção de um campo magnético em qualquer local é a direção na qual um pequeno pólo norte se deslocaria, naquele local. É claro também que a "força ou intensidade" de um campo varia de lugar para lugar. A "força do campo" em qualquer ponto é determinada pela densidade ou proximidade das linhas de força naquele ponto. Se um número relativamente grande de linhas de força for concentrado em uma pequena região do campo, a 'força' deste será relativamente grande naquela região. Para resumir, cada espécie de campo tem três características que se associam a ele: linhas de força, direção e 'força do campo'. [Hoje resumiríamos tudo isso dizendo que campo é grandeza vetorial função de ponto, logo, caracterizado por módulo, direção e sentido, em cada ponto.]

Antes de prosseguir com as equações de Maxwell, devemos conservar em mente que o movimento, ou qualquer espécie de variação, é necessário para a interação dos fenômenos elétricos e magnéticos. Uma carga elétrica estacionária não exerce nenhuma força sobre um ímã estacionário. Somente quando um dos dois é posto em movimento é que pode ser desenvolvida uma força entre eles. Levando este conhecimento empírico um pouco mais à frente, podemos dizer que um campo elétrico estacionário (produzido pela carga) não interage com um campo magnético estacionário (produzido por um ímã). Eles podem interagir somente quando um modifica sua força em relação ao outro.

Estando um ímã sobre uma mesa, tanto ele como seu campo são estacionários. Se houver uma carga elétrica em repouso nas proximidades, seu campo será também estacionário. Não há movimento relativo e não há interação. Suponhamos agora que deslocamos o ímã de tal maneira que as linhas de força magnéticas passem pela carga elétrica estacionária. Durante esse deslocamento, a força do campo magnético estará se modificando continuamente, quando medida nas vizinhanças da carga. Uma força é então experimentada tanto pelo ímã como pela carga. O mesmo efeito ocorrerá se deslocarmos a carga elétrica de tal maneira que as linhas de força elétricas passem pelo ímã estacionário. Dizemos que seus campos interagem durante o período de movimento relativo, de maneira a gerar as forças observadas. (Observem que nenhuma força é gerada quando, por exemplo, a carga se desloca ao longo do eixo do imã. Nenhuma linha de força é cruzada em tal deslocamento, e não se desenvolve nenhuma força.)

Por eletromagnetismo queremos simplesmente dizer que é o ramo que estuda a maneira pela qual os campos magnéticos e elétricos interagem. A teoria de Maxwell sobre o magnetismo é uma formulação matemática das leis que governam a interação desses campos.

Para compreender a primeira equação de Maxwell, imaginemos um imã e um corpo carregado em repouso sobre uma mesa. Se o imã for posto em movimento de tal maneira que a 'força do campo magnético' no corpo carregado varie com o decorrer do tempo, uma força é sentida no corpo carregado. Maxwell sustentou a opinião de que a força não é produzida diretamente pelo campo magnético em variação. Em vez disso, o campo magnético em variação produz um campo elétrico que exerce uma força sobre o corpo carregado. Este último campo não deve ser confundido com o campo elétrico original, associado com o corpo carregado. É um novo campo elétrico, produzido pelo campo magnético em variação. Ele existiria mesmo que não existisse nenhum corpo carregado nas proximidades, para sentir sua presença.

No exemplo dado acima, o campo magnético em variação foi produzido por um magneto em movimento. Um campo magnético pode também ser produzido por uma corrente de eletricidade — um fluxo de cargas elétricas. Se o fluxo for constante, isto é, se a magnitude da corrente permanecer invariável, o campo magnético será também invariável. Mas se a corrente variar de intensidade com o decorrer do tempo, o campo magnético também variará em intensidade. Imaginemos uma região do espaço ocupada por um campo magnético cuja intensidade de campo modifica-se no decorrer do tempo.

A primeira equação de Maxwell diz-nos, portanto, que um campo elétrico é produzido em tal região pelo campo magnético em variação. A intensidade do campo elétrico induzido depende somente da proporção em que varia a intensidade do campo magnético.

A segunda equação de Maxwell descreve como um campo magnético é criado em uma região do espaço. Ela nos diz que um campo magnético pode ser induzido de duas maneiras: por uma corrente elétrica (cargas em movimento), ou por um campo elétrico em variação.
Estamos familiarizados com o primeiro método; é o princípio do eletroímã. O segundo método é a novidade introduzida por Maxwell. Ele foi o primeiro cientista a compreender que um campo elétrico em variação induz um campo magnético em uma região do espaço. Foi esta idéia nova que levou
à predição teórica e, mais tarde, à descoberta das ondas de rádio e à outra descoberta, de que a luz tem características eletromagnéticas.

A segunda equação de Maxwell nos informa como um campo magnético é produzido numa dada região do espaço onde se verifica uma variação do campo elétrico.

Maxwell pôde deduzir de suas equações que campos elétricos e magnéticos em oscilação devem deslocar-se pelo espaço, sob a forma de ondas. Essas ondas eletromagnéticas absorveriam a energia originalmente suprida aos dois campos. A teoria de Maxwell sobre o eletromagnetismo foi publicada em 1873, em seu grande Treatise on Electricity and Magnetism.

A velocidade das ondas eletromagnéticas
Uma importante conclusão tirada das equações de Maxwell foi que as ondas eletromagnéticas devem propagar-se pelo espaço a uma velocidade igual à da luz.
 
“Dificilmente podemos evitar a inferência” — disse ele — de que a luz consiste nas ondulações transversais do mesmo meio que é a causa dos fenômenos elétricos e magnéticos.”
Suas equações predisseram que as ondas eletromagnéticas deviam deslocar-se a uma velocidade de 3 x 108 metros por segundo (186 000 milhas por segundo). Por aquela época, a velocidade da luz era conhecida como resultado das medições de Fizeau, feitas em 1849. Ela concordava quase perfeitamente com a velocidade deduzida das equações de Maxwell. Se suas equações estivessem corretas, então a luz devia ser de origem elétrica e consistir de ondas eletromagnéticas.

Através da Química, a Eletricidade encontrara seu caminho condizente com a própria estrutura dos átomos, íons e moléculas. Começava agora a parecer que a 'eletricidade' estava também ligada à natureza da luz. Um cientista alemão chamado Heinrich Hertz (1857-94) decidiu testar as equações de Maxwell. Se este estivesse com a razão, seria possível gerar ondas eletromagnéticas de comprimento de onda relativamente longo — nossas atuais ondas de rádio — e detectá-las a alguma distância de sua fonte.
Ele decidiu tentar.

Segue Parte 12 ... a descoberta das ondas de rádio

 


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