Interações Magnéticas
(Parte 1- Introdução)

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

0 - Preâmbulos
Em curso de Física Geral, quando se inicia a exposição do Magnetismo, revela-se ao estudante um novo aspecto da realidade física. O estudante já está familiarizado com o campo de forças de sua experiência quotidiana: o campo de gravidade g. Com boa aproximação, o campo de gravidade da Terra, dentro dela e junto a sua superfície, pode ser identificado com seu campo de gravitação G, regido pela Lei de Newton.

Sob alguns aspectos, o campo eletrostático E é análogo ao campo gravitacional G. Partícula tendo massa m e carga elétrica q, nenhuma nula, gera campo gravitacional e campo eletrostático. Ambos são centrais e seguem a Lei do Inverso do Quadrado da Distância. A ambos se aplica a Lei de Gauss. A ambos se associam energia potencial e função potencial.

O campo magnetostático de indução B gerado por corrente elétrica contínua exibe características que surpreendem o novato e apresentam dificuldades. Não existe pólo magnético solitário (monopólo magnético) análogo a partícula eletrizada (elétron, próton etc.). As linhas de indução de B não têm início ou fim; elas circundam a corrente enlaçando-a segundo a Regra da Mão Direita (RMD). Sobre elemento de corrente elétrica o campo B exerce força F_mag. normal a ambos, segundo a Regra (de Fleming) da Mão Esquerda (RME). Em espira percorrida por corrente elétrica o campo B pode exercer binário (torque) --- princípio de funcionamento dos motores elétricos. Citamos ainda indução eletromagnética e ondas eletromagnéticas.

A percepção dos fenômenos magnéticos e a assimilação da correspondente teoria, imagem intelectual dos mesmos, demandam do estudante certa capacidade de abstração e um conveniente domínio de operações matemáticas. O estudante que não se contenta com informação superficial e algumas fórmulas matemáticas sabe que é condição sine qua non habituar-se à linguagem específica que para cada campo de fenômenos foi criada por pesquisadores em Física, desde Galileu.

No presente trabalho sugerem-se experimentes que podem ser realizados sem aparelhos custosos, e que visualizam aspectos característicos do magnetismo.

Física é ciência que investiga fenômenos (sistemas e processos) concretos, tangíveis, verificáveis por qualquer pesquisador na área, em todo o mundo e em qualquer época. Enganos e fraudes são extirpados implacavelmente. Permanece um corpo de ciência bem fundamentada e mesmo assim não definitiva. Sendo submetida a incessante e rigoroso exame crítico, a Física está aberta a toda inovação produtiva em seu campo.

O estudante de Física Geral sente-se motivado quando presencia processos físicos criteriosamente selecionados para ampliar seus conhecimentos no campo enfocado. Eis a razão do presente trabalho: propor experimentos de demonstração de alguns fenômenos magnéticos básicos para o desenvolvimento de todo o Magnetismo. A saber:

a) Como se caracteriza o campo magnético gerado por corrente elétrica continua?
b) De que modo o campo magnético age sobre condutor percorrido por corrente elétrica?

No presente trabalho mostra-se:

- como obter o espectro de um campo magnético;
- como caracterizar a força que um campo magnético exerce em um elemento de corrente elétrica;
- como caracterizar o conjugado (torque) que um campo magnético exerce em espira portadora de corrente.

Finalizando, propõe-se um experimento que evidencia a força exercida por campo magnético sobre corpo metálico não magnetizável (correntes de Foucault, pêndulo de Walten-Hofen).

1 - Introdução
Forças são classificadas segundo critérios diversos. Conforme o ponto de vista, elas podem ser de interação ou de inércia, externas ou internas, impressas ou vinculares, conservativas ou dissipativas, de contato ou de campo etc.

1.1 - Categorias de forcas
Quanto à sua origem, as forças classificam-se conforme o quadro seguinte:

Presentemente trataremos de forças eletromagnéticas. Além de características específicas, elas possuem as propriedades gerais das forças de interação, a saber:

— são exercidas mutuamente entre corpos dois a dois;
— independem do referencial adotado (inercial, ou acelerado que seja);
— seguem a Lei de Ação e Reação.

1.2 - Comparação de forcas de interação
Caracterizado um sistema físico, pode-se comparar as intensidades das forças fundamentais que agem nele. Por exemplo, em átomo de hidrogênio o próton e o elétron se atraem com forças elétricas  F_el. e gravitacionais  F_grav. , sendo |F_grav.| = 10^-37 |F_el.|.

No microcosmo predominam:

— interação forte (ligação em núcleo atômico).
— interação eletromagnética (núcleo e coroa, 10^-3  vezes a interação forte).
— interação fraca (decaimento radioativo, 10^-25  vezes a interação eletromagnética).

No macrocosmo predomina a atração gravitacional (10^-12 vezes a interação fraca; mecânica celeste). Fora dos astros é a gravitação a única força a considerar.

1.3 - Forcas ativas em fenômenos cotidianos
 Nos fenômenos rotineiros só nos deparamos com interações gravitacionais (peso dos corpos e suas conseqüências) e variadas interações eletromagnéticas. Dentre estas, citamos:

— corrente elétrica para iluminação, operação de eletrodomésticos, acionamento de motores elétricos, aquecimento, telefone;
— forças exercidas por campos elétricos e magnéticos manifestam-se, por exemplo, em raio, osciloscópio catódico, vídeo de TV, ímãs e eletroímãs;
— aplicam-se ondas eletromagnéticas desde as longas em radiocomunicação até os Raios-X em radiografia.

1.4 - Forças de campo
Antes de Faraday (1791 --- 1867) e Maxwell (1831 --- 1879) acreditava-se em "ação à distância". Por exemplo, surgindo uma carga elétrica Q em um ponto, ela exerceria instantaneamente forças sobre todas as outras cargas circunstantes q₁,q₂, q₃,... q_i, ... próximas ou distantes.
Pelo contrário, a pesquisa revelou “força de campo”: a carga Q gera um campo elétrico E, que invade o espaço com velocidade finita nunca maior do que a velocidade da luz no vácuo, velocidade limite segundo a Teoria da Relatividade (Einstein, 1879 --- 1955). A força elétrica passou a ter, então, caráter 'local' --- ação do campo, naquela região, sobre a carga ai colocada.
A carga Q exerce a força  F_i na carga q_i , segundo a Lei de Coulomb. Esta força é exercida por intermédio do campo gerado pela carga Q no ponto em que se situa a carga q_i .
Repetindo: o ente físico real que atua na carga q_i não é a carga distante Q, mas sim o campo E no próprio local da carga q_i . Mesmo que a carga Q seja neutralizada em certo instante, a força  F_i continuará sendo exercida em q_i até que o campo E se extinga no local.

Por exemplo: Luz é onda eletromagnética. A luz que a Terra recebe, proveniente do Sol, transita durante 8 minutos na reta Sol --- Terra. Se, por hipótese, o Sol se extinguisse instantaneamente em certo instante t, a Terra continuaria recebendo a radiação solar normalmente, até a data (t + 8 min).

1.5 - Forças elétricas e magnéticas
Já na antiguidade se conheciam o raio, o fogo de Santelmo e a atração do âmbar atritado sobre corpos leves (âmbar, em grego eléktron), mas não se relacionavam estes fenômenos entre si. Há cerca de um milênio descobriu-se a bússola magnética, que se orienta na direção Sul --- Norte por ação de débeis forças exercidas em seus pólos pelo campo magnético da Terra.

Na lenta evolução dos conhecimentos sobre ações elétricas e magnéticas destaca-se William Gilbert (1544 --- 1603). Dois séculos após, Oersted (1777 --- 1851) divulgou uma sensacional descoberta: corrente elétrica gera campo magnético. Com isto nasceu o eletromagnetismo, que foi levado a maturidade pelos trabalhos de Faraday e Maxwell.

1.6 - Exemplos de forcas elétricas
No átomo, o núcleo atrai os elétrons da coroa com forças coulombianas. Na molécula, as forças de ligação química são coulombianas. Em corpo de muitas moléculas manifestam-se forças de coesão e adesão molecular (por exemplo, elasticidade de sólidos, tensão superficial de líquidos); elas também são coulombianas. Em Teoria Cinética dos Gases estudam-se colisões intermoleculares, que são interações coulombianas.

Forças de atrito são decorrentes de interações coulombianas entre as camadas-limite de corpos em contato. Na fotossíntese, a clorofila dos vegetais absorve energia da radiação eletromagnética proveniente do Sol, e com ela promove a reação:

6 CO₂ + 6 H₂0 +  2825 kJ  ======>  C₆H₁₂ O₆ + 6O₂

1.7 - Exemplos de forças magnéticas
Corrente elétrica é carga elétrica em movimento ordenado. Na coroa atômica, o movimento orbital dos elétrons e o spin dos mesmos geram efeitos magnéticos importantes (dia-; para- e ferro-magnetismo, e suas conseqüências).

As interações magnéticas são decisivas no funcionamento de motores elétricos, transformadores, linhas de transmissão, chaves magnéticas, osciloscópios etc. Atualmente constroem-se ímãs permanentes e eletroímãs possantes; entre suas aplicações destaca-se ferrovia com veiculo mantido suspenso por repulsão magnética.

Em certos laboratórios científicos aplicam-se interações eletromagnéticas em aceleradores de partículas (cíclotron, bétatron, acelerador linear etc.). Com vistas à fusão nuclear controlada, estudam-se plasmas, gases em altíssimas temperaturas, e que só podem ser confinados em garrafas magnéticas.

1.8 - Indução eletromagnética
Campo magnético pode gerar campo elétrico, portanto, gerar força eletromotriz. Nisto se baseiam transformadores e máquinas geradoras de energia elétrica (dínamos e alternadores). Vice-versa, campo elétrico pode gerar campo magnético. Nestes processos baseia-se a emissão e propagação de ondas eletromagnéticas.

Segue Parte 2: Campo elétrico e campo magnético