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Ímãs e pára-raios
(Parte
4)

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

A lei do inverso do quadrado do magnetismo
Muita coisa tinha sido aprendida sobre a 'eletricidade', por volta de 1800, mas o conhecimento dos efeitos magnéticos de pouco excedia o que Gilbert conhecera. Descobriu-se que os novos elementos, cobalto e níquel, eram magnéticos.
O ferro, o cobalto e o níquel vieram a ser chamados de substâncias ferromagnéticas, devido aos seus efeitos magnéticos relativamente fortes. Por outro lado, os elementos bismuto e antimônio repeliam os pólos de uma agulha magnética --- o primeiro exemplo de diamagnetismo. Em vez de serem atraídos por um ímã, eram repelidos por ele.

A descoberta magnética mais importante do século foi a de lei do inverso do quadrado, referente à força magnética, descoberta esta realizada por Coulomb. Utilizando o princípio da balança de torção, ele provou que a força de atração ou de repulsão de dois pólos magnéticos varia inversamente com o quadrado da distância que os separa. Pólos iguais se repelem, e pólos diferentes se atraem. Outra lei fundamental da natureza tinha sido encontrada, a qual variava também com o inverso do quadrado da distância.

Eletromagnetismo - casamento da eletricidade com o magnetismo
De há muito se suspeitava que a 'eletricidade' estava relacionada de alguma forma com o magnetismo. Por exemplo, peças de ferro tinham sido freqüentemente encontradas magnetizadas nas vizinhanças de algum lugar onde havia caído um raio. Mas a conexão entre as duas ciências não foi descoberta
senão em 1820. Naquele ano, o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted (1777 ---1851), fez uma grande descoberta que deu origem à ciência do eletromagnetismo.
Ele descobriu que um fio conduzindo uma corrente elétrica provoca uma deflexão de uma agulha magnetizada. O fio foi primeiramente alinhado em paralelo com a agulha do compasso (que repousa na direção norte-sul), não havendo fluxo de corrente elétrica, conforme se vê abaixo.


Descoberta, feita por Oersted, da interação entre a eletricidade e o
magnetismo. Uma corrente elétrica produz uma força sobre a agu-
lha magnética que estava inicialmente alinhada com o fio

Quando a corrente começou a passar, a agulha do compasso girou no sentido indicado, até ficar em um ângulo reto com o fio. Quando cessou a corrente, a agulha retornou à sua direção norte-sul normal.

A descoberta de Oersted foi verdadeiramente momentosa. Embora um corpo eletricamente carregado não tenha efeito sobre um ímã, uma corrente fraca de cargas em movimento é capaz de exercer forças sobre pólos magnéticos --- forças que são transmitidas através do espaço vazio. O elo de ligação entre a eletricidade e o magnetismo revelara-se como sendo o movimento.

O significado da descoberta de Oersted foi reconhecido imediatamente pelos cientistas. François Arago (1786 --- 1853), experimentador francês, mostrou no mesmo ano que uma bobina de fio atuava como ímã, quando uma corrente era passada por ela. Limalhas de ferro previamente desmagnetizadas colavam-se ao fio enquanto passava a corrente, soltando-se quando esta cessava.
Outro grande francês, André Marie Ampère (1775 ---1836) determinou as leis que governam a interação das correntes elétricas entre si e com os ímãs. Ele mostrou que dois fios paralelos conduzindo correntes exercem forças um sobre o outro, conforme se vê na ilustração abaixo. Se as correntes correm no mesmo sentido (a), os fios se atraem; se as correntes são em sentidos opostos, (b), os fios se repelem.


Descoberta, feita por Ampère, de que uma corrente elétrica pode
produzir uma força sobre outra corrente em suas proximidades

Ampère mostrou também, seguindo os estudos de Arago, que uma bobina de fio enrolado na forma de um cilindro comporta-se exatamente como um ímã, quando uma corrente passa pelo fio. Apresenta um pólo norte e um pólo sul, e atrai materiais magnéticos.
No mesmo ano, 1820, Davy e Arago, trabalhando independentemente, mostraram que um pedaço de aço podia ser magnetizado permanentemente, colocando-o momentaneamente, em uma bobina de fio atravessada por uma corrente --- nasce o ímã permanente artificial. Mas se o ferro doce for usado em vez do aço, perderá a maior parte de seu magnetismo, logo que a corrente for interrompida. Esses eletromagnetos (ou eletroímãs), como mais tarde foram chamados, eram extremamente poderosos e, por volta de 1825, já estavam sendo fabricados em grande número.

Em 1825, Ampère deu com a explicação correta da fonte do magnetismo. Ele sabia que uma espira de fio toma-se um ímã, quando uma corrente passa por ele. Portanto, o ferro é magnético, porque correntes circulares de eletricidade correm em cada um de seus átomos. Cada átomo ou molécula de uma substância magnética tem um pólo norte e um pólo sul. Se esses pólos moleculares apontam em direções ao acaso, eles se anulam, e a peça é desmagnetizada. Se eles se alinham, em certa quantidade, na mesma direção, seu magnetismo individual se soma, e a peça é magnética. A existência de todos os efeitos magnéticos tem sido explicada com base nas cargas elétricas em movimento.

Logo depois que as descobertas de Ampère foram publicadas, em 1820, muitos cientistas passaram a usar as forças eletromagnéticas para detetar e medir as correntes elétricas. Os instrumentos chamados galvanômetros consistiam a princípio de uma bobina de fio envolvendo uma agulha de compasso montada sobre um eixo. Conforme se ilustra abaixo, o instrumento era alinhado de tal maneira que o enrolamento da bobina ficasse na direção norte-sul.


Um galvanômetro primitivo, para detetar a presença de
uma corrente elétrica

Quando uma corrente era passada pela bobina, a agulha do compasso afastava-se da direção norte-
-sul, segundo um ângulo que dependia da quantidade de corrente que passava. Sua deflexão era uma medida grosseira da força da corrente elétrica.

Podemos fazer nosso próprio galvanômetro sensível, enrolando cerca de duzentas voltas de fio de cobre isolado (esmaltado) em torno de um tubo de papelão. Coloca-se uma bússola magnética barata no interior do cilindro e alinha-se o galvanômetro de maneira a que a agulha aponte em um ângulo reto com o eixo do tubo, quando não está passando corrente. A agulha será defletida sempre que uma pequena pilha for ligada aos terminais da bobina.
Podemos também fabricar nossa própria “bateria de copos” com latas de “estanho” e folhas de alumínio. Selecionam-se latas de conservas que tenham uma superfície brilhante, sem nenhuma camada de revestimento visível no interior. A lata é um terminal de cada célula voltaica, e a folha de alumínio é o outro. Uma bateria de duas células é ilustrada abaixo.


Bateria voltaica simples

O eletrólito é feito de salmoura obtida pela dissolução de quatro colheres de chá de sal para cada copo de água quente. Usa-se fio de cobre ('cabinho 22') para ligar os terminais, conforme se mostra. Deve-se tomar cuidado para impedir que a folha de alumínio encoste na lata de metal. Qualquer material isolante, inclusive lápis secos, pode ser usado em lugar dos bastões de vidro para sustentar as folhas de alumínio. Podemos aumentar a deflexão de nosso galvanômetro utilizando dez ou vinte células voltaicas na bateria, ou aumentando o número de voltas do fio do galvanômetro.

Embora o aparelho acima descrito possa parecer rudimentar pelos padrões modernos, ele equivale aos que eram encontrados na maioria dos laboratórios, por volta de 1820. Com este modesto princípio, os eletricistas do século dezenove desvendaram os segredos da 'eletricidade' e do magnetismo, tornando possível uma indústria nova e maravilhosa.
A descoberta de que cargas elétricas em movimento podem fazer defletir uma agulha magnética, foi um ponto marcante na história da Humanidade. Por volta de 1820, a máquina a vapor havia substituído a força do músculo do homem e do cavalo pela energia inanimada do carvão. Mas não havia nenhum meio conveniente de transmitir esta nova força a todos os setores onde se exercesse a atividade humana. A eletricidade viria a eliminar tal deficiência. A exploração teórica e experimental da eletricidade e do magnetismo foi o maior feito dos físicos do século dezenove.

*** Segue A eletricidade posta a trabalhar (parte 1) ***

 


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