Introdução ao magnetismo.

Resumo de Aula:
Introdução ao magnetismo.
1-Introdução
As primeiras observações sobre o
magnetismo foram registradas pelo filósofo
grego Tales de Mileto (624 a.C.-546 a.C.)
que percebeu que certas pedras tinham a
capacidade de atrair o ferro. Estes registros
foram feitos na província de Tessália (Figura
1), mais tarde conhecida como Magnésia. As
pedras descritas por Tales foram chamadas
de magnetitas (magnetita = pedra de
magnésia) e daí surgiu o termo magnetismo
utilizado até hoje.
O primeiro uso das propriedades dos
imãs foi a criação da bússola, cuja função
Figura 1: Mapa da região da Tessália
era indicar as direções Norte e Sul, que era
utilizada pelos chineses no século III a.C. em suas navegações pelo mar Índico. A
bússola também foi usada pelos seguidores de Maomé para guiá-los em suas viagens no
século XI.
A descoberta que os imãs têm dois polos foi feita pelo
francês Petrus Peregrino no século XIII. Petrus descobriu que um
imã tendia a se alinhar com os polos terrestres e, por conta disto,
chamou o lado que aponta para o Norte de polo norte e o outro de
polo sul. Além disto, deve-se a Petrus a primeira observação de
que polos de mesmo nome se repelem e polos de nomes
diferentes se atraem, e a primeira observação do campo
magnético utilizando limalha de ferro.
O próximo passo no estudo do magnetismo foi feito pelo
cientista William Gilbert que publicou um livro chamado “de
Magnete”, (Figura 2) no ano de 1600 estudando o fenômeno.
Figura 2: Capa do
Neste estudo Gilbert descobriu que podia magnetizar pedaços de
livro de Magnete
ferro esfregando-os em imãs naturais (fato já conhecido pelos
chineses). Além disto, ao estudar como a
bússola era direcionada pelos polos de um
imã, foi o primeiro a considerar que apropria
terra se comporta como um gigantesco imã,
sendo esta a razão da bússola apontar na
direção Norte-Sul.
Apesar destes avanços, a compreensão
do fenômeno magnético em si continuou
sendo um mistério para os cientistas durante
mais alguns anos. Foi somente em 1820 que
foi dado o passo definitivo no entendimento
dos imãs. No início de abril deste ano, o físico Figura 3: Gravura representando Oersted e sua
experiência
dinamarquês Hans Christian Oersted, então
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professor da universidade de Copenhague, fazia experiências em sala de aula mostrando
algumas possíveis relações entre eletricidade e magnetismo. Diz a lenda que Oersted
teria tentado desviar a agulha magnética de uma bússola aproximando-a de um fio
percorrido por uma corrente
elétrica. Sua expectativa era fazer a
agulha se alinhar ao fio. Porém a
experiência foi um fracasso. Como
ainda havia ainda uma carga na sua
bateria (pilha) ele resolveu colocar o
fio alinhado com a bússola, e ao
Figura 4: Força entre os polos dos imãs
ligar o circuito ele percebeu,
perplexo, que a agulha apontava na direção perpendicular a do fio (Figura 3).
Descobrir que um fio percorrido por uma corrente elétrica produzia um campo
magnético revolucionou tanto o estudo do magnetismo quanto o da eletricidade. E, após
alguns anos, levou à unificação destes dois campos de conhecimento. Não haveria mais
o estudo de eletricidade e o estudo do magnetismo. Em seu lugar surgiria o estudo do
eletromagnetismo.
2-Explorando os imãs.
Ao brincarmos com imãs podemos
perceber facilmente as observações de Petrus.
Se você tiver um imã e uma bússola fica ainda
mais fácil. O lado norte da bússola apontará
para o lado sul do imã e vise-versa.
Também pode-se ver que polos de
nomes diferentes se atraem e polos iguais
atraem (Figura 4). Com a ajuda de uma garrafa
cheia de limalha de ferro em suspensão em
óleo podemos ver as linhas de campo do imã
(Figura 5). Representamos estas linhas na
forma
mostrada
na
Figura 6, por convenção dizemos que as linhas
de campo saem do polo norte e entram no polo sul.
Um fato experimental importante é que não
podemos separar os polos do imã. Ao quebrarmos um
imã ao meio obteremos dois imãs; cada um com seu polo
negativo e positivo. Os físicos exprimem esta ideia
dizendo que não existem monopolos magnéticos. Ao
Figura 5: Visualização das linhas de campo
produzidas por um imã.
contrário da eletricidade, em que existem cargas
positivas e negativas, no magnetismo não existem cargas
magnéticas.
Figura 6: Representação do
campo magnético de um imã em
barra
3- A origem do magnetismo na matéria
O experimento de Oersted mostrou que campos magnéticos eram produzidos por
correntes elétricas. Este princípio é o que permite o funcionamento de motores e
geradores elétricos1. Porém onde estão estas correntes dentro de um imã?
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Albert Einstein mostrou que o campo magnético é na realidade uma “distorção” do campo elétrico
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A explicação vem do entendimento do
modelo atômico da matéria. Você já deve saber
que a matéria é feita de átomos, e que estes
possuem uma estrutura interna. Há uma pequena
região chamada núcleo, onde estão os prótons e
os nêutrons, e uma região em torno deste núcleo
Figura 7: campo magnético orbital
chamada eletrosfera, onde se encontram os
elétrons.
Em uma simplificação deste modelo vamos considerar um átomo com um único
elétron na ultima camada. Este elétron se move em torno do núcleo em regiões
chamadas orbitais. Bem, este movimento pode ser considerado uma corrente elétrica (a
figura 7 mostra uma versão simplificada deste fenômeno). Esta corrente produzirá um
campo magnético neste átomo, tornando-o um pequeno imã.
Porém este fenômeno não é o principal responsável pelo magnetismo atômico. Os
elétrons possuem outro movimento, eles giram em torno de si mesmos em um
movimento chamado de spin2. A este spin associamos um movimento de cargas que
origina um campo magnético (FIGURA 8).
Os elétrons ficam organizados em torno do núcleo em
regiões bem determinadas chamadas orbitais. Cada orbital atômico
pode conter no máximo dois elétrons. Neste caso teremos um
orientado para cima e outro para baixo, e o campo magnético total
devido a estes dois elétrons será zero (pois um cancela o outro).
Somente em átomos aonde existam orbitais com apenas um elétron
é que teremos um campo magnético resultante. Isto acontece para
alguns materiais como o ferro (Fe), o níquel (Ni) e o cobalto
(Co). E estes elementos são os que podem ser atraídos por Figura 8: Representação
conceitual do campo de
imãs. Materiais sem campo magnético resultante não são
spin
afetados.
4- Domínios magnéticos.
A existência do campo magnético de spin é capaz de
explicar porque o ferro é atraído por um imã e o alumínio
não. No entanto não explica por que nem todo pedaço de
ferro é um imã. Isto ocorre porque nem todos os átomos
deste pedaço estão alinhados, apenas os que estão muito
próximos acabam se alinhando uns com os outros.
Figura 9: Domínios
Isto acaba por criar regiões de átomos alinhados,
magnéticos desalinhados
chamadas domínios magnéticos, que possuem um campo
magnético resultante (ou seja, cada região desta é um pequeno imã). Acontece que em
produzido pelo movimento das cargas elétricas. Isto tem uma implicação muito curiosa: a existência do
campo magnético depende do referencial adotado. Se você estiver se movendo junto com a carga, de
forma que não aja movimento relativo entre vocês, você não verá o campo magnético!
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Na realidade isto não é completamente verdade. O spin não é exatamente um movimento do elétron em
torno do seu eixo, por que um elétron não tem eixo. Na realidade não sabemos como é um elétron, mas
ele não é uma bolinha. O problema é que é impossível explicar o spin do elétron comparando-o com o
movimento de objetos corriqueiros. O spin é um fenômeno quântico, que só tem sentido para partículas
subatômicas.
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um pedaço comum de ferro há várias destas regiões, e estas não estão alinhadas entre si,
(Figura 9) o que acaba fazendo com que o campo magnético total seja zero.
Acontece que podemos forçar o alinhamento destas diversas regiões. A maneira
mais simples é aproximar este pedaço de ferro de um imã. O campo magnético do imã
forçará estas diversas regiões a se alinharem, tornando o simples pedaço de ferro um
imã. Este procedimento pode ser permanente ou temporário, dependendo da intensidade
do campo magnético e da forma como o procedimento é feito.
Em um imã permanente os domínios magnéticos
estão alinhados e o há um campo permanente. Para destruir
um imã basta você desalinhar estes campos. Uma maneira
de se fazer isto é aquecendo o imã, pois o aquecimento
aumentará a movimentação dos átomos e isto provocara o
desalinhamento. Outra maneira de provocar o mesmo
Figura 10: Domínios
fenômeno é martelando o imã.
magnéticos alinhados
Por ultimo temos a questão dos imãs naturais. Se em
um imã natural todos os domínios magnéticos estão alinhados quem foi que os alinhou?
Obviamente outro imã. Quem? A Terra!
5- O magnetismo terrestre.
Como Oersted sugeriu a Terra realmente
é um gigantesco imã. De onde vem seu
magnetismo? De uma corrente elétrica
produzida pelo movimento de ferro liquido no
núcleo do planeta. Esta corrente gera um
campo magnético que é capaz de afetar
partículas a mais de 30.000 km da superfície e
é o grande responsável pelo alinhamento dos
domínios magnéticos dos imãs naturais (Figura
11).
Além disto, este campo protege a Terra
do bombardeio dos raios cósmicos compostos
por partículas (elétrons, prótons, íons e outras)
emitidas pelo Sol e por outras estrelas. Devido
Figura 11: Campo magnético terrestre
à sua grande energia, essas partículas são
nocivas tanto ao homem, onde pode causar
câncer, quanto aos sistemas eletrônicos, onde danifica seus componentes e pode afetar a
memória de computadores.
Por serem constituídos de partículas
carregadas, os raios são desviados pelo
campo magnético terrestre de maneiras
complicadas, ora fazendo espirais em torno
das linhas de campo, ora escapando ora
mergulhando em direção à atmosfera.
As partículas que ficam presas no
campo magnético formam os cinturões de
Van Allen. O cinturão mais interno está a
uma altitude de 3200 km e o mais externo a
Figura 12: Cinturão de Van Allen
16.000 km (figura 12). Estes cinturões
representam perigo tanto para satélites quanto
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para as sondas lançadas da Terra.
Por outro lado, as que mergulham em direção a Terra são, em sua maioria,
desviadas pelo campo magnético em direção aos polos. Ao interagirem com a atmosfera
estas partículas dão origem à aurora boreal (polo norte) e a aurora austral (polo sul).
Há outro detalhe em relação à orientação Norte-Sul. Se o lado norte de uma
bússola aponta para o polo norte então este não pode ser o norte, tem que ser o sul! E de
fato é assim, os polos geográficos são invertidos em relação aos polos magnéticos. O
norte geográfico é o sul magnético.
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