11.2: Magnetismo e suas descobertas históricas
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Ao final desta seção, você poderá:
- Explique a atração e a repulsa por ímãs
- Descreva as aplicações históricas e contemporâneas do magnetismo
O magnetismo é conhecido desde a época dos antigos gregos, mas sempre foi um pouco misterioso. Você pode ver a eletricidade no flash de um raio, mas quando uma agulha da bússola aponta para o norte magnético, você não consegue ver nenhuma força fazendo com que ela gire. As pessoas aprenderam sobre propriedades magnéticas gradualmente, ao longo de muitos anos, antes que vários físicos do século XIX conectassem o magnetismo à eletricidade. Nesta seção, revisamos as ideias básicas do magnetismo e descrevemos como elas se encaixam na imagem de um campo magnético.
Breve história do magnetismo
Os ímãs são comumente encontrados em objetos do cotidiano, como brinquedos, cabides, elevadores, campainhas e dispositivos de computador. Experimentos com esses ímãs mostram que todos os ímãs têm dois pólos: um é rotulado como norte (N) e o outro é rotulado como sul (S). Os pólos magnéticos se repelem se forem iguais (N ou S), atraem se forem opostos (um N e outro S) e os dois pólos de um ímã atraem pedaços de ferro não magnetizados. Um ponto importante a ser observado aqui é que você não pode isolar um pólo magnético individual. Cada pedaço de um ímã, por menor que seja, que contém um pólo norte também deve conter um pólo sul.
Visite este site para uma demonstração interativa dos pólos norte e sul magnéticos.
Um exemplo de ímã é uma agulha de bússola. É simplesmente um ímã de barra fina suspenso em seu centro, por isso é livre para girar em um plano horizontal. A própria Terra também age como uma barra magnética muito grande, com seu pólo sul próximo ao Pólo Norte geográfico (Figura\(\PageIndex{1}\)). O pólo norte de uma bússola é atraído para o Pólo Norte geográfico da Terra porque o pólo magnético que está próximo ao Pólo Norte geográfico é na verdade um pólo magnético sul. A confusão surge porque o termo geográfico “Pólo Norte” passou a ser usado (incorretamente) para o pólo magnético que está próximo ao Pólo Norte. Assim, “pólo magnético norte” é na verdade um nome impróprio — deveria ser chamado de pólo magnético sul. [Note que a orientação do campo magnético da Terra não é permanente, mas muda (“vira”) após longos intervalos de tempo. Eventualmente, o pólo magnético norte da Terra pode estar localizado próximo ao seu Pólo Norte geográfico.]
Em 1819, o físico dinamarquês Hans Oersted estava realizando uma palestra para alguns estudantes e percebeu que uma agulha de bússola se movia sempre que a corrente fluía em um fio próximo. Uma investigação mais aprofundada desse fenômeno convenceu Oersted de que uma corrente elétrica poderia de alguma forma causar uma força magnética. Ele relatou essa descoberta em uma reunião de 1820 da Academia Francesa de Ciências.
Logo após esse relatório, as investigações de Oersted foram repetidas e ampliadas por outros cientistas. Entre aqueles cujo trabalho foi especialmente importante estavam Jean-Baptiste Biot e Felix Savart, que investigaram as forças exercidas sobre ímãs por correntes; André Marie Ampère, que estudou as forças exercidas por uma corrente sobre outra; François Arago, que descobriu que o ferro poderia ser magnetizado por uma corrente; e Humphry Davy, que descobriu que um ímã exerce força sobre um fio que transporta uma corrente elétrica. Dentro de 10 anos após a descoberta de Oersted, Michael Faraday descobriu que o movimento relativo de um ímã e de um fio metálico induzia corrente no fio. Essa descoberta mostrou não apenas que uma corrente tem um efeito magnético, mas que um ímã pode gerar corrente elétrica. Você verá mais tarde que os nomes de Biot, Savart, Ampère e Faraday estão ligados a algumas das leis fundamentais do eletromagnetismo.
As evidências desses vários experimentos levaram Ampère a propor que a corrente elétrica é a fonte de todos os fenômenos magnéticos. Para explicar os ímãs permanentes, ele sugeriu que a matéria contém circuitos microscópicos de corrente que estão de alguma forma alinhados quando um material é magnetizado. Hoje, sabemos que os ímãs permanentes são, na verdade, criados pelo alinhamento de elétrons giratórios, uma situação bastante semelhante à proposta por Ampère. Esse modelo de ímãs permanentes foi desenvolvido por Ampère quase um século antes de a natureza atômica da matéria ser compreendida. (Para um tratamento mecânico quântico completo dos spins magnéticos, consulte Mecânica Quântica e Estrutura Atômica.)
Aplicações contemporâneas do magnetismo
Hoje, o magnetismo desempenha muitos papéis importantes em nossas vidas. A compreensão dos físicos sobre o magnetismo permitiu o desenvolvimento de tecnologias que afetam tanto os indivíduos quanto a sociedade. O tablet eletrônico em sua bolsa ou mochila, por exemplo, não teria sido possível sem as aplicações de magnetismo e eletricidade em pequena escala (Figura\(\PageIndex{2}\)). Descobriu-se que mudanças fracas em um campo magnético em uma fina película de ferro e cromo provocam mudanças muito maiores na resistência, chamadas de magnetorresistência gigante. As informações podem então ser registradas magneticamente com base na direção em que a camada de ferro é magnetizada. Como resultado da descoberta da magnetorresistência gigante e suas aplicações ao armazenamento digital, o Prêmio Nobel de Física de 2007 foi concedido a Albert Fert, da França, e Peter Grunberg, da Alemanha.
Todos os motores elétricos, com usos tão diversos quanto alimentar geladeiras, ligar carros e mover elevadores, contêm ímãs. Os geradores, sejam eles que produzem energia hidrelétrica ou acionam luzes de bicicleta, usam campos magnéticos. As instalações de reciclagem empregam ímãs para separar o ferro de outros resíduos. A pesquisa sobre o uso da contenção magnética da fusão como uma futura fonte de energia continua há vários anos. A ressonância magnética (MRI) tornou-se uma importante ferramenta de diagnóstico no campo da medicina, e o uso do magnetismo para explorar a atividade cerebral é um assunto de pesquisa e desenvolvimento contemporâneos. A lista de aplicativos também inclui discos rígidos de computador, gravação em fita, detecção de amianto inalado e levitação de trens de alta velocidade. O magnetismo está envolvido na estrutura dos níveis de energia atômica, bem como no movimento dos raios cósmicos e partículas carregadas presas nos cinturões de Van Allen ao redor da Terra. Mais uma vez, vemos que todos esses fenômenos díspares estão ligados por um pequeno número de princípios físicos subjacentes.