Eletricidade e Magnetismo
 

Eletricidade 

Uma das principais fontes de energia da civilização contemporânea é a energia elétrica. O princípio físico em função do qual uma das partículas atômicas, o elétron, apresenta uma carga que, por convenção, se considera de sinal negativo constitui o fundamento dessa forma de energia, que tem uma infinidade de aplicações na vida moderna.

Eletricidade é o fenômeno físico associado a cargas elétricas estáticas ou em movimento. Seus efeitos se observam em diversos acontecimentos naturais, como nos relâmpagos, que são faíscas elétricas de grande magnitude geradas a partir de nuvens carregadas. Modernamente, confirmou-se que a energia elétrica permite explicar grande quantidade de fenômenos físicos e químicos.

A constituição elétrica da matéria se fundamenta numa estrutura atômica em que cada átomo é composto por uma série de partículas, cada uma com  determinada carga elétrica. Por isso se define carga elétrica como propriedade característica das partículas que constituem as substâncias e que se manifesta pela presença de forças. A carga elétrica apresenta-se somente em duas variedades, convencionalmente denominadas positiva e negativa.

 

História da Eletricidade

Nas civilizações antigas já eram conhecidas as propriedades elétricas de alguns materiais. A palavra eletricidade deriva do vocábulo grego elektron (âmbar), como conseqüência da propriedade que tem essa substância de atrair partículas de pó ao ser atritada com fibras de lã.

O cientista inglês William Gilbert, primeiro a estudar sistematicamente a eletricidade e o magnetismo, verificou que outros materiais, além do âmbar, adquiriam, quando atritados, a propriedade de atrair outros corpos, e chamou a força observada de elétrica. Atribuiu essa eletrificação à existência de um

"fluido" que, depois de removido de um corpo por fricção, deixava uma "emanação". Embora a linguagem utilizada seja curiosa, as noções de Gilbert se aproximam dos conceitos modernos, desde que a palavra fluido seja substituída por "carga", e emanação por "campo elétrico".

No século XVIII, o francês Charles François de Cisternay Du Fay comprovou a existência de dois tipos de força elétrica: uma de atração, já conhecida, e outra de repulsão. Suas observações foram depois organizadas por Benjamin Franklin, que atribuiu sinais - positivo e negativo - para distinguir os dois tipos de carga. Nessa época, já haviam sido reconhecidas duas classes de materiais: isolantes e condutores.

Foi Benjamin Franklin quem demonstrou, pela primeira vez, que o relâmpago é um fenômeno elétrico, com sua famosa experiência com uma pipa (papagaio). Ao empinar a pipa num dia de tempestade, conseguiu obter efeitos elétricos através da linha e percebeu, então, que o relâmpago resultava do desequilíbrio elétrico entre a nuvem e o solo. A partir dessa experiência, Franklin produziu o primeiro pára-raios. No final do século XVIII, importantes descobrimentos no estudo das cargas estacionárias foram conseguidos com os trabalhos de Joseph Priestley, Lord Henry Cavendish, Charles-Augustin de Coulomb e Siméon-Denis Poisson. Os caminhos estavam abertos e em poucos anos os avanços dessa ciência foram espetaculares.

Em 1800, o conde Alessandro Volta inventou a pilha elétrica, ou bateria, logo transformada por outros pesquisadores em fonte de corrente elétrica de aplicação prática. Em 1820, André-Marie Ampère demonstrou as relações entre correntes paralelas e, em 1831, Michael Faraday fez descobertas que levaram ao desenvolvimento do dínamo, do motor elétrico e do transformador.

As pesquisas sobre o poder dos materiais de conduzir energia estática, iniciadas por Cavendish em 1775, foram aprofundadas na Alemanha pelo físico Georg Simon Ohm. Publicada em 1827, a lei de Ohm até hoje orienta o desenho de projetos elétricos. James Clerk Maxwell encerrou um ciclo da história da eletricidade ao formular as equações que unificam a descrição dos comportamentos elétrico e magnético da matéria.

O aproveitamento dos novos conhecimentos na indústria e na vida cotidiana se iniciou no fim do século XIX. Em 1873, o cientista belga Zénobe Gramme demonstrou que a eletricidade pode ser transmitida de um ponto a outro através de cabos condutores aéreos. Em 1879, o americano Thomas Edison inventou a lâmpada incandescente e, dois anos depois, construiu, na cidade de Nova York, a primeira central de energia elétrica com sistema de distribuição. A eletricidade já tinha aplicação, então, no campo das comunicações, com o telégrafo e o telefone elétricos e, pouco a pouco, o saber teórico acumulado foi introduzido nas fábricas e residências.

O descobrimento do elétron por Joseph John Thomson na década de 1890 pode ser considerado o marco da passagem da ciência da eletricidade para a da eletrônica, que proporcionou um avanço tecnológico ainda mais acelerado.

 

Natureza elétrica da matéria

Segundo a visão atomista do universo, todos os corpos são constituídos por partículas elementares que formam átomos. Estes, por sua vez, se enlaçam entre si para dar lugar às moléculas de cada substância. As partículas elementares são o próton e o nêutron, contidos no núcleo, e o elétron, que gira ao seu redor e descreve trajetórias conhecidas como órbitas.

A carga total do átomo é nula, ou seja, as cargas positiva e negativa se compensam porque o átomo possui o mesmo número de prótons e elétrons - partículas com a mesma carga, mas de sinais contrários. Os nêutrons não possuem carga elétrica. Quando um elétron consegue vencer a força de atração do núcleo, abandona o átomo, que fica, então, carregado positivamente. Livre, o elétron circula pelo material ou entra na configuração de outro átomo, o qual adquire uma carga global negativa. Os átomos que apresentam esse desequilíbrio de carga se denominam íons e se encontram em manifestações elétricas da matéria, como a eletrólise, que é a decomposição das substâncias por ação da corrente elétrica. A maior parte dos efeitos de condução elétrica, porém, se deve à circulação de elétrons livres no interior dos corpos. Os prótons dificilmente vencem as forças de coesão nucleares e, por isso, raras vezes provocam fenômenos de natureza elétrica fora dos átomos.

De maneira geral, diante da energia elétrica, as substâncias se comportam como condutoras ou isolantes, conforme transmitam ou não essa energia. Os corpos condutores se constituem de átomos que perdem com facilidade seus elétrons externos, enquanto as substâncias isolantes possuem estruturas atômicas mais fixas, o que impede que as correntes elétricas as utilizem como veículos de transmissão.

Os metais sólidos constituem o mais claro exemplo de materiais condutores. Os elétrons livres dos condutores metálicos se movem através dos interstícios das redes cristalinas e assemelham-se a uma nuvem. Se o metal se encontra isolado e carregado eletricamente, seus elétrons se distribuem de maneira uniforme sobre a superfície, de forma que os efeitos elétricos se anulam no interior do sólido. Um material condutor se descarrega imediatamente ao ser colocado em contato com a terra.

A eletrização de certos materiais, como o âmbar ou o vidro, se deve a sua capacidade isolante pois, com o atrito, perdem elétrons que não são facilmente substituíveis por aqueles que provêm de outros átomos. Por isso, esses materiais conservam a eletrização por um período de tempo tão mais longo quanto menor for sua capacidade de ceder elétrons.

 

Eletrostática

A parte da eletricidade que estuda o comportamento de cargas elétricas estáticas no espaço é conhecida pelo nome de eletrostática. Ela desenvolveu-se precocemente dentro da história da ciência e se baseia na observação das forças de atração ou repulsão que aparecem entre as substâncias com carga elétrica.

Estudos quantitativos de eletrostática foram feitos separadamente por Coulomb e Cavendish. A chamada lei de Coulomb estabelece que as forças de atração ou repulsão entre partículas carregadas são diretamente proporcionais às quantidades de carga dessas partículas e inversamente proporcionais ao quadrado da distância que as separa. Determinada de forma empírica, essa lei só é válida para cargas pontuais em repouso. Sua expressão matemática é:

 F=h*Q*Q’

 r²

Q e Q' indicam a grandeza das cargas, r é a distância entre elas e k é a constante de proporcionalidade ou constante dielétrica, cujo valor depende do meio em que se acham imersas as partículas elétricas. A direção das forças é paralela à linha que une as cargas elétricas em questão. O sentido depende da natureza das cargas: se forem de sinais contrários, se atraem; se os sinais forem iguais, se repelem. A unidade de carga da lei de Coulomb recebe a denominação de coulomb no sistema internacional. A força se expressa em newtons e a distância, em metros.

 

Campo elétrico

Com o desenvolvimento da eletricidade como ciência, a física moderna abandonou o conceito newtoniano de força como causa dos fenômenos e introduziu a noção de campo. A liberação das partículas passou a ser associada às diferenças de níveis energéticos e não à ação direta de forças.

Define-se campo elétrico como uma alteração introduzida no espaço pela presença de um corpo com carga elétrica, de modo que qualquer outra carga de prova localizada ao redor indicará sua presença. Por meio de curvas imaginárias, conhecidas pelo nome de linhas de campo, visualiza-se a direção da força gerada pelo corpo carregado.

As características do campo elétrico são determinadas pela distribuição de energias ao longo do espaço afetado. Se a carga de origem do campo for positiva, uma carga negativa introduzida nele se moverá, espontaneamente, pela aparição de uma atração eletrostática. Pode-se imaginar o campo como um armazém de energia causadora de possíveis movimentos. É usual medir essa energia por referência à unidade de carga, com o que se chega à definição de potencial elétrico, cuja magnitude aumenta em relação direta com a quantidade da carga geradora e inversa com a distância dessa mesma carga. A unidade de potencial elétrico é o volt, equivalente a um coulomb por metro. A diferença de potenciais elétricos entre pontos situados a diferentes distâncias da fonte do campo origina forças de atração ou repulsão orientadas em direções radiais dessa mesma fonte.

A intensidade do campo elétrico se define como a força que esse campo exerce sobre uma carga contida nele. Dessa forma, se a carga de origem for positiva, as linhas de força vão repelir a carga de prova, e ocorrerá o contrário se a carga de origem for negativa. Diz-se, portanto, que as cargas positivas são geradoras de campos magnéticos e as negativas, de sistemas de absorção ou sumidouros.

 

 

Dielétricos

As substâncias dielétricas (que isolam eletricidade) se distinguem das condutoras por não possuírem cargas livres que possam mover-se através do material, ao serem submetidas a um campo elétrico. Nos dielétricos, todos os elétrons estão ligados e por isso o único movimento possível é um leve deslocamento das cargas positivas e negativas em direções opostas, geralmente pequeno em comparação com as distâncias atômicas.

Esse deslocamento, chamado polarização elétrica, atinge valores importantes em substâncias cujas moléculas já possuam um ligeiro desequilíbrio na distribuição das cargas. Nesse caso, se produz ainda uma orientação dessas moléculas no sentido do campo elétrico externo e se constituem pequenos dipolos elétricos que criam um campo característico. O campo é dito fechado quando suas linhas partem do pólo positivo e chegam ao negativo.

O campo elétrico no interior das substâncias dielétricas contém uma parte, fornecida pelo próprio dielétrico em forma de polarização induzida e de reorientação de suas moléculas, que modifica o campo exterior a que está submetido. O estudo dos dielétricos adquire grande relevância na construção de dispositivos armazenadores de energia elétrica, também conhecidos como condensadores ou capacitores, os quais constam basicamente de duas placas condutoras com potencial elétrico distinto, entre as quais se intercala a substância dielétrica. Cria-se um campo elétrico entre as placas, incrementado pela polarização do dielétrico que armazena energia. A capacidade de armazenamento de um condensador se avalia mediante um coeficiente - conhecido como capacitância - que depende de suas características físicas e geométricas. Essa grandeza tem dimensões de carga por potencial elétrico e se mede comumente em faradays (coulombs por volts).

 

Circuitos elétricos e forças eletromotrizes

Do estudo da eletrólise - intercâmbio eletrônico e energético entre substâncias químicas normalmente dissolvidas - surgiram as primeiras pilhas ou geradores de corrente, cuja aplicação em circuitos forneceu dados fundamentais sobre as propriedades elétricas e magnéticas da matéria.

Uma carga introduzida num campo elétrico recebe energia dele e se vê impelida a seguir a direção das linhas do campo. O movimento da carga é provocado

 

físico segundo o qual todo corpo alcança o equilíbrio em seu estado de energia mínima. Portanto, a carga tende a perder a energia adquirida, ao movimentar-se para áreas menos energéticas.

Em termos elétricos, o movimento das cargas é provocado por diferenças de potencial elétrico no espaço, e as partículas carregadas se dirigem de zonas de maior para as de menor potencial. Nessa propriedade se fundamentam as pilhas e, em geral, todos os geradores de corrente, que consistem em duas placas condutoras com potenciais diferentes. A ligação dessas duas placas, chamadas eletrodos, por um fio, produz uma transferência de carga, isto é, uma corrente elétrica, ao longo do circuito. A grandeza que define uma corrente elétrica é sua intensidade, que é a quantidade de cargas que circulam através de uma seção do filamento condutor numa unidade de tempo. A unidade de intensidade da corrente é o ampère (coulomb por segundo).

Muitos físicos, entre eles Gay-Lussac e Faraday, pesquisaram as relações existentes entre a tensão e a corrente elétricas. Georg Simon Ohm estudou as correntes elétricas em circuitos fechados e concluiu que as intensidades resultantes são diretamente proporcionais à diferença de potencial fornecida pelo gerador. A constante de proporcionalidade, denominada resistência elétrica do material e medida em ohms (volts por ampères), depende das características físicas e geométricas do condutor. Nesse contexto se dispõem de diferentes recursos que permitem a regulagem e controle das grandezas elétricas. Assim, por exemplo, a ponte de Wheatstone se emprega para determinar o valor de uma resistência não conhecida e as redes elétricas constituem circuitos múltiplos formados por elementos geradores e condutores de resistências distintas.

Efeitos térmicos da eletricidade

A passagem de cargas elétricas a grande velocidade através de condutores origina uma perda parcial de energia em função do atrito. Essa energia se desprende em forma de calor e, por isso, um condutor sofre aumento de temperatura quando a corrente elétrica circula através dele.

James Joule calculou as perdas de uma corrente num circuito, provocadas pelo atrito. Nesse fenômeno, denominado efeito Joule, se fundamentam algumas aplicações interessantes da eletricidade, como as resistências das estufas. O efeito também ocorre no filamento incandescente - fio

 

muito fino de tungstênio ou material similar que emite luz quando aumenta a temperatura - utilizado nas primeiras lâmpadas de Edison e nas atuais lâmpadas elétricas.

Deve-se ao efeito Joule a baixa rentabilidade industrial do sistema de correntes contínuas, em função das elevadas perdas que se verificam. Esse problema foi solucionado com a criação de geradores de corrente alternada, nos quais a intensidade elétrica varia com o tempo.

 

Aplicações

A principal vantagem oferecida por uma rede elétrica é a facilidade de transporte de energia a baixo custo. Diversas formas de energia, tais como a hidráulica e a nuclear, se transformam em elétricas mediante eletroímãs de orientação variável que produzem correntes alternadas. Essas correntes são conduzidas com o auxílio de cabos de alta tensão, com milhares de volts de potência.

Normalmente, a eletricidade é utilizada como fonte de energia em diversos tipos de motores com múltiplos usos, cuja enumeração seria interminável: eletrodomésticos, calefação, refrigeração de ar, televisão, rádio etc. Nos centros de telecomunicação, a corrente elétrica funciona como suporte energético codificado que viaja por linhas de condução para ser decifrado por aparelhos de telefonia, equipamentos de informática etc.

 

Energia elétrica

Junto com as energias mecânica, química e térmica, a eletricidade compõe o conjunto de modalidades energéticas de uso habitual. De fato, como conseqüência de sua capacidade de ser transformada de forma direta em qualquer outra energia, sua facilidade de transporte e grande alcance através das linhas de alta tensão, a energia elétrica se converteu na fonte energética mais utilizada no século XX.

Ainda que a pesquisa de fontes de eletricidade tenha se voltado para campos pouco conhecidos, como o aproveitamento do movimento e da energia dos mares, as formas mais generalizadas são a hidrelétrica, obtida pela transformação mecânica da força de quedas d'água, e a térmica, constituída por centrais geradoras de energia alimentadas por combustíveis minerais sólidos e líquidos.

Desde que se passou a utilizar eletricidade como fonte energética, sua produção experimentou um crescimento vertiginoso. A importância dessa forma de energia se pode provar pelo fato de, modernamente, os países mais industrializados duplicarem o consumo de energia elétrica a cada dez anos. Entre os países de maior produção e consumo em todo o mundo estão os Estados Unidos, a Rússia, o Reino Unido e a Alemanha. Também ostentam consideráveis índices de produção os países que dispõem de importantes recursos hídricos, como o Canadá e a Noruega.

 

Magnetismo

 

William Gilbert, médico particular da rainha Elizabeth I da Inglaterra, interessou-se pela natureza dos fenômenos magnéticos da matéria e descreveu corretamente a Terra como um gigantesco ímã, cujos pólos magnéticos coincidem de modo aproximado com os de seu eixo de rotação. No entanto, suas tentativas de explicar os movimentos planetários como resultantes de forças magnéticas fracassaram e só mais de meio século depois Isaac Newton os atribuiria à força de gravitação.

Magnetismo é o fenômeno físico que consiste nas forças de atração e repulsão exercidas por certos metais, como o ferro-doce, o cobalto e o níquel, devido à presença de cargas elétricas em movimento. Dá-se também esse nome à disciplina da física que estuda a origem e as manifestações de tais fenômenos magnéticos.

 

História do Magnetismo

As civilizações antigas conheciam a magnetita, mineral que atrai o ferro. Até o início do século XVII tais fenômenos não haviam sido estudados de forma sistemática, o que foi feito pela primeira vez por William Gilbert, autor de De magnete (1600; Sobre os ímãs), que enunciou suas propriedades fundamentais e descobriu o campo magnético terrestre utilizando bússolas rudimentares.

No final do século XVIII, Charles-Augustin de Coulomb elaborou para a magnetostática leis semelhantes às que regiam os movimentos de atração e repulsão entre cargas elétricas em repouso. Assim, postulou que uma força magnética era diretamente proporcional a grandezas que denominou unidades de magnetização, ou intensidades de pólo magnético, e inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa os objetos imantados.

No século XIX, em decorrência dos experimentos realizados pelo dinamarquês Hans Christian Ørsted e pelo britânico Michael Faraday, e das expressões matemáticas do britânico James Clerk Maxwell, unificaram-se as leis da eletricidade e do magnetismo e este passou a ser considerado uma manifestação das cargas elétricas em movimento.

 

Fundamentos físicos

Tradicionalmente, em física estudam-se dois tipos de fontes de fenômenos magnéticos: os ímãs e as cargas livres nos condutores, que transmitem uma corrente elétrica. Denomina-se campo magnético à perturbação sofrida pelo espaço próximo a uma dessas fontes magnéticas. A magnitude fundamental do campo magnético é a indução de campo, representada habitualmente pelo símbolo B e dotada de caráter vetorial, já que depende tanto de seu valor numérico como da direção e sentido de máxima variação do campo. O vetor intensidade de campo magnético B é definido como uma derivação da indução magnética, e a razão pela qual possui a denominação reservada normalmente aos vetores básicos de campo é puramente histórica.

A detecção de um campo magnético em um meio é feita pela influência que exerce sobre uma bússola ou carga elétrica em movimento. Assim, pode-se definir a indução de campo magnético como a força que este exerce perpendicularmente sobre uma carga unitária de velocidade, também igual a um. A expressão matemática desta relação, chamada de Lorentz, é

F = q v x B

em que a força F, a velocidade v e a indução B possuem caráter vetorial, a carga q é um número positivo ou negativo, e o símbolo x representa um produto vetorial que significa que a força resultante é perpendicular tanto à velocidade da partícula carregada como ao campo magnético visto como um conjunto de linhas na direção do vetor B em cada ponto do espaço.

A unidade fundamental de indução magnética no sistema internacional é o tesla, equivalente à unidade de força definida por unidade de carga e de velocidade. O gauss representa um dez mil avos do tesla e constitui a unidade básica no sistema CGS (centímetro, grama, segundo).

Também relevante no estudo do magnetismo é o chamado fluxo magnético, representado graficamente por linhas de indução através das quais se define a unidade de fluxo. Assim, um campo magnético de indução B de um tesla é representado como uma linha de indução por metro quadrado, denominada weber. A indução corresponde ao fluxo por unidade de superfície perpendicular ao campo e é também chamada densidade de fluxo. Além do weber, unidade internacional, emprega-se também como unidade de fluxo do sistema eletromagnético o maxwell, segundo  a relação 1 weber = 108 maxwells.

A estrutura elétrica mais simples que se pode conceber é uma carga isolada, de modo que duas cargas de sinais contrários formam um dipolo elétrico, caracterizado por um momento de força ou magnitude física equivalente à que provoca o giro de uma barra rígida apoiada em um ponto fixo. Por analogia, definem-se os dipolos magnéticos, formados por dois pólos (norte e sul) que geram perturbações específicas acentuadas a seu redor, as quais se transmitem ininterruptamente entre ambos. A inexistência, porém, desses pólos magnéticos isolados constitui um dos aspectos fundamentais da ciência do magnetismo.

Em escala microscópica, o campo magnético mais simples é o produzido pelo movimento de rotação dos elétrons em torno de si mesmos. Esse fenômeno, conhecido como spin, é representado na física quântica pelos números +1/2 e -1/2, de acordo com o sentido do giro do elétron.

 

Tipos de magnetismo

A física considera a existência de três tipos de material, segundo seu comportamento em presença de campos magnéticos: (1) substâncias ferromagnéticas, como o ferro, o cobalto, o níquel, o gadolínio, o disprósio e as ligas, minerais e derivados desses elementos, que ficam permanentemente imantadas ainda que se retire o agente do campo; (2) substâncias paramagnéticas, que apresentam uma imantação temporária e tênue, que desaparece ao eliminar-se o campo; (3) substâncias diamagnéticas, que são repelidas pelos ímãs de forma indiscriminada.

A explicação desses comportamentos é dada pela física microscópica, segundo a qual a maioria das substâncias apresenta diamagnetismo ou atividade magnética nula na ausência de perturbações externas. O ferromagnetismo e o paramagnetismo são fenômenos determinados pela existência prévia de uma orientação generalizada dos campos magnéticos eletrônicos ou spins, que se reforça temporária ou permanentemente sob a influência dos ímãs.

 

Magnetismo terrestre

O campo magnético terrestre, detectável por uma simples bússola, possui duas peculiaridades: sua irregularidade, dependente da latitude; e sua mudança gradual no tempo, conseqüência da variação contínua do eixo magnético. Segundo a teoria dinâmico-magnética, a origem do magnetismo terrestre está nas correntes elétricas do núcleo metálico do planeta, e sua variabilidade indica que esse núcleo encontra-se em movimento, de modo que os rios de metal fundido assumem o papel de espirais condutoras que criam campos magnéticos.