O que é magnetismo?
Na física e em outras ciências naturais, magnetismo é o nome associado a um fenômeno ou grupo de fenômenos relacionados à atração ou repulsão observados entre certos objetos da matéria – em materiais chamados ímãs ou chamado ferromagnetismo Especialmente forte para os sentidos – e, no ponto moderno de vista, entre esses materiais e os condutores de corrente – especialmente entre esses materiais e os portadores de carga em movimento – mesmo quando em movimento, uma massa total de portadores de carga é estabelecida entre eles.
A parte da interação (força de Lorentz) – que afirma explicitamente que na referência adotada, a peça é inválida se uma ou nenhuma das duas estiver em movimento. Deve-se notar que a simples observação das forças atrativas ou repulsivas entre dois objetos não é suficiente para caracterizar a interação entre os dois como uma origem magnética, muitas vezes confundindo fenômenos magnéticos e elétricos, alguns dos quais são de fácil visualização. Embora hoje se saiba que tais fenômenos elétricos e magnéticos estão intimamente relacionados, eles são frequentemente considerados e analisados como fenômenos distintos.
Para o olho desatento, a ênfase nos fenômenos elétricos e magnéticos – pelo menos na vida cotidiana – difere substancialmente das seguintes maneiras:
Na vida diária, o magnetismo é geralmente mais forte que a eletricidade;
Enquanto os fenômenos elétricos – especialmente os fenômenos eletrostáticos criados pelo atrito entre materiais diferentes – são de natureza transitória, os fenômenos magnéticos geralmente são duradouros;
Enquanto os corpos carregados interagem perceptivelmente com quase todos os materiais, os corpos magnéticos interagem significativamente com apenas alguns deles.
Em particular, abandonando a ideia de senso comum de que um ímã atrairá qualquer metal trabalha aqui. Na verdade, a grande maioria dos metais não responde magnetostaticamente aos sentidos. Entre os poucos que responderam, destacaram-se ferro, cobalto e níquel.
O magnetismo pode orientar objetos em uma direção definida, o que normalmente não ocorre em fenômenos elétricos. Em outras palavras, dependendo de sua orientação, o mesmo ímã pode ser atraído ou repelido por outro ímã. No caso elétrico, os dois geralmente se atraem ou se repelem – independentemente de sua orientação espacial;
Os eletrodos – positivos e negativos – podem ser separados, enquanto os pólos magnéticos – norte e sul – sempre existem no mesmo objeto e nunca podem ser separados.
Nesses termos, agora é fácil descrever a atração entre um pente usado e um pequeno pedaço de papel, ou mesmo entre um pedaço de papel e uma capa plástica encadernada, como um fenômeno elétrico, e entre uma chave de fenda e um pequeno pedaço de papel. Apelo. Parafusos, ou entre adesivos publicitários e geladeiras, como ímãs.
O exemplo mais comum de fenômenos magnéticos está, obviamente, relacionado ao funcionamento da bússola, uma agulha magnética em movimento livre guiada pelo campo magnético da Terra. A aurora boreal e a aurora boreal são um exemplo menos conhecido, devido à interação magnética entre as partículas presentes no vento solar e o campo magnético da Terra – que direciona essas partículas para os polos magnéticos da Terra, onde, interagindo com a atmosfera, sugere-se que luzes no céu são características desse fenômeno. ]
Magnetismo ainda é o nome associado ao departamento de física responsável pelo estudo dos fenômenos magnéticos. Mais recentemente, a descoberta e melhor compreensão da estreita relação entre magnetismo e fenômenos elétricos envolveu a fusão dos campos de pesquisa da eletricidade e do magnetismo – que inicialmente eram distintos – em um departamento mais amplo, o eletromagnetismo.
O próprio eletromagnetismo inclui todos os fenômenos elétricos, todos os fenômenos magnéticos e fenômenos relacionados à inter-relação explícita ou implícita entre os dois primeiros.
Um pouco de história
William Gilbert, autor de um livro intitulado “De Magnete”, publicado em 1600. Seus escritos já continham grande rigor científico na época. Sua contribuição para o avanço desta ciência é crucial.
As observações de fenômenos magnéticos naturais são muito antigas. Entre estes são frequentemente relatados os realizados pelos gregos na região da Ásia conhecida como Magnésia[2], embora haja indícios de que os chineses conhecem o fenômeno há muito mais tempo. Também no século 6 aC, Tales de Mileto, em uma viagem ao continente (então uma província da Grécia), descobriu que pequenas pedras podiam atrair tanto objetos de ferro quanto entre si. Thales foi o primeiro a tentar explicar esse fenômeno, apontando que a magnetita – o mineral magnético presente no solo – possuiria uma “alma”,[7] que poderia dar “vida” ao ferro inerte e, assim, ganhar atratividade.
Tales, porém, não é o primeiro a descobrir esse fenômeno na região. Reza a lenda que um pastor chamado Magnes notaria isso ao encostar a ponta de ferro de sua vara em alguma pedra [7] – presumivelmente um ímã. Segundo alguns autores, a palavra “magnetismo” deriva do nome da região, que ainda hoje é usado para estudar fenômenos relacionados. Para outros, no entanto, a palavra “magnetismo” vem do nome de um pastor que notaria o primeiro fenômeno “magnetismo”.
Até onde sabemos, a interpretação de Tales de Mileto pode nos parecer excessivamente simplista, mas é importante notar que uma ideia não deve ser julgada isoladamente do contexto histórico-sociocultural ao qual pertence. Em momentos como este, é o primeiro passo de uma longa jornada que levará aos resultados que conhecemos hoje através da ciência daqui a dois mil anos, mas ainda não foi dado. De fato, uma explicação semelhante persistiu nos séculos seguintes: o magnetismo seria o resultado da emissão de odor, um “perfume” que emanava do ferro e da magnetita que os sensibilizava à atração mútua. A palavra magnet foi posteriormente derivada da palavra francesa aimant, que, sem surpresa, se traduz em amante em português.
Os chineses foram, sem dúvida, os primeiros a encontrar aplicações práticas do magnetismo. No início da era cristã, os adivinhos chineses já usavam um precursor da bússola, uma colher feita de magnetita, equilibrada em um ponto de apoio central e com liberdade de movimento. É a “colher apontando para o sul” que está sempre presente em seus rituais. [9] No século VI, os chineses dominaram a técnica de fazer ímãs.
No entanto, esses fenômenos não atraíram maior interesse, pelo menos até o século 13, quando começaram a aparecer observações e trabalhos mais precisos em eletricidade e magnetismo. Eles imediatamente concluíram que os fenômenos eletromagnéticos tinham propriedades totalmente diferentes, uma ideia que persistiu até dois séculos atrás. Em uma carta a um amigo em 1269, Pierre de Maricourt descreveu com precisão a maioria das experiências típicas associadas a esse fenômeno, que ainda estão presentes em abundância no presente livro. [10] A ele devemos a nomenclatura “Pólo Norte” e “Pólo Sul” em relação aos pólos de um ímã, e a lei da “atração oposta, como a repulsão” diretamente relacionada a eles. Ele também observou que em um ímã sempre há dois polos opostos, mesmo de uma fratura originada no outro.
No entanto, dois séculos depois, seguindo a cronologia e dando continuidade ao trabalho de Pierre de Maricourt, o trabalho do cientista inglês William Gilbert foi resumido em um livro publicado em 1600 que se revelou um marco na região: From Magnete. [11] Coerente com o fato de que a ciência na definição moderna foi exposta no exato período em questão (William foi contemporâneo de Galileu Galilei), este livro pode ser considerado o primeiro trabalho científico sobre o assunto Um, e pela razão de que este é um clássico da literatura científica. O livro continha quase todo o conhecimento válido que foi produzido na época e não foi adicionado a ele até o início do século XIX. Gilbert conseguiu até explicar o comportamento da bússola, propondo que a Terra se comporta como um ímã de tamanho enorme. [6] Conclusões mais complexas, como a descoberta de que o aquecimento de um ímã faz com que ele perca seu magnetismo, e a validação de que a magnetização e a desmagnetização não implicam em uma mudança no peso do objeto também existem. Este livro não apenas contém o estudo do magnetismo, mas também cobre muitos tópicos contemporâneos relacionados ao estudo da eletricidade. ]
Graças aos grandes avanços no campo da eletricidade, foram possíveis os seguintes avanços no campo do magnetismo: Alessandro Volta inventou a bateria.
A existência de uma fonte de energia elétrica – corrente elétrica – seria crucial para que o físico e químico dinamarquês Hans Christian Ørsted pudesse estabelecer firmemente em 1820, vendo um momento acidental na sala de aula e não no confinamento. Um laboratório de pesquisa que há muito se suspeita: fenômenos elétricos e magnéticos estão intimamente relacionados. O experimento de Ørsted entrou para a história da física porque mostrou que as correntes elétricas criam efeitos magnéticos ao seu redor que podem interferir na direção de uma bússola próxima.
O inglês Michael Faraday e o americano Joseph Henry deram simultaneamente o próximo passo na compreensão do magnetismo como eletromagnetismo: a descoberta da indução magnética. Esta é apenas uma resposta experimental positiva a uma questão colocada diretamente pela experiência de Ørsted: Se a eletricidade pode produzir fenômenos magnéticos, o inverso também é verdadeiro? Como Faraday realizou pesquisas exaustivas, o que prejudicou a menor dedicação de Henry ao assunto – pois não tinha tempo por motivos profissionais – Faraday, e não Henry, é historicamente considerado o loureiro dessa descoberta.
Faraday também desenvolveu o conceito de campo, que imediatamente se estendeu ao estudo da eletricidade e do magnetismo, e se mostrou crucial para a síntese realizada por James Clark Maxwell. Neste contexto, as contribuições de Heirinch Friedrich Emil Lenz (Lei de Lenz); Wilhelm Eduard Weber para estabelecer o SI para a magnitude do fluxo magnético (Weber), que ele obteve pela primeira vez de experimentos relacionados ao eletromagnetismo O valor experimental da constante, c = 3,1 x 108 m/s, foi imediatamente considerado semelhante ao valor da velocidade da luz no vácuo; o matemático Franz Ernst Neumann (lei de Faraday-Neumann-Lenz), Karl Friedrich Gauss (lei de Gauss), etc. ; não pode deixar de mencionar.
Usando suas famosas quatro equações – as equações de Maxwell – Maxwell conseguiu não apenas explicar todo o conhecimento empírico no campo do magnetismo, no campo da eletricidade – e não amplamente conhecido até sua época – mas também estabelecer uma base teórica sólida. A existência de ondas eletromagnéticas, no final da história, juntamente com os trabalhos de Weber, Hertz e outros, abriu caminho para a integração da ótica no que hoje é chamado de eletromagnetismo. [8] Não demorou muito para a equação entre o valor teórico da velocidade da onda eletromagnética derivada das equações de Maxwell, o valor constante determinado pelos experimentos de Weber, o valor da velocidade da onda eletromagnética determinado após a descoberta das ondas eletromagnéticas e o valor experimental valor da velocidade da luz em Hertz e luz – por algum tempo uma precisão razoável é conhecida – não apenas por coincidência, é claro.
Heinrich Hertz é creditado por confirmar experimentalmente a existência de ondas eletromagnéticas e determinar sua velocidade.
Pólos e dipolos magnéticos
A principal característica de um objeto em interações magnéticas é que essa interação é particularmente forte em determinadas regiões, enquanto a força dessa interação é desprezível em outras regiões ao longo ou em torno de sua extensão inferior. Cada uma dessas regiões de forte interação é chamada de pólo magnético. [5] É claro que um polo é sempre acompanhado por um polo conjugado, e em qualquer objeto magnético existem pelo menos dois polos diferentes. Esses pólos magnéticos são inseparáveis e juntos formam o que é chamado de dipolo magnético.
Os pólos conjugados de um objeto magnético são chamados pólos norte e sul, respectivamente.
É claramente importante aqui evitar confundir essa nomenclatura com a nomenclatura muito semelhante usada para nomear os polos geográficos de objetos em rotação; especialmente os polos geográficos da Terra. Associados a objetos giratórios estão os pólos geográficos. Neste caso, dizemos norte geográfico e sul geográfico: considere dois pontos determinados pela interseção do eixo de rotação com a superfície do objeto em rotação, mova os dedos da mão direita de alguma forma para os dedos da mão acima dele Mantendo a posição, seguindo seu movimento de rotação, você deixará o polegar dessa mão indicar o pólo que será chamado de Pólo Norte geográfico; o outro dos dois pontos da superfície será o Pólo Sul geográfico.
Dado o paradigma científico atualmente válido, também é possível passar a “regra da mão direita”; no entanto, claramente não há eixo de rotação espacial aplicável neste caso. Neste caso, a referência é a direção estabelecida pela corrente diretamente relacionada ao comportamento magnético observado, geralmente através do condutor elétrico, espira ou solenóide em consideração. Determine qual é o pólo norte e qual é o pólo sul, em comparação com determinar quais são os pólos norte e sul de qualquer outro ímã. Para isso, basta observar a interação magnética dos dois objetos:
Dois pólos com o mesmo nome determinam a força repulsiva ao interagir;
Os pólos de nomenclatura diferente determinam atração ao interagir.
No entanto, sabe-se que a nomenclatura magnética em questão antecede cronologicamente o conhecimento necessário para determiná-la usando a regra da mão direita. A explicação para o problema da derivação é, obviamente, através da percepção de que a semelhança entre a nomenclatura dos polos geográficos e os polos magnéticos pode não ser, e de fato não é, mera coincidência. Como mencionado anteriormente, há muito se sabe que quando os dipolos magnéticos são suspensos para que possam girar livremente, eles são orientados espacialmente de modo que um de seus pólos magnéticos determina uma direção próxima àquela determinada pelos pólos geográficos da Terra. Esta observação levou à designação do pólo norte magnético como o pólo que aponta para o pólo norte geográfico, e o pólo sul como o pólo para o sul geográfico da Terra. Essas nomenclaturas estabelecidas – pelo menos hoje, à medida que os pólos magnéticos da Terra mudam suas localizações geográficas ao longo do tempo – são consistentes com a nomenclatura estabelecida acima usando a regra da mão direita.
A Terra é um grande ímã
A terra é como um ímã gigante. Próximo ao Pólo Norte geográfico está o Pólo Sul da Terra, e próximo ao Pólo Sul geográfico está o Pólo Norte Magnético da Terra.
Uma bússola é usada para navegação. Atraído pelo Pólo Sul da Terra, o Pólo Norte de uma bússola sempre se posicionará para indicar o norte geográfico da Terra nas proximidades.
Há muito tempo existe uma busca para explicar a orientação que um ímã assume quando suspenso para rotação livre. Quando foi proposto que a Terra se comportava como um ímã de tamanho enorme, a resposta era simples em princípio, mas quando evoluiu para a questão de saber por que a Terra se comportava como um ímã, acabou sendo muito mais complicado.
Atualmente, os polos geográficos estão localizados próximos, mas não coincidentes, com os polos magnéticos da Terra. Combinando as considerações da seção anterior, não é difícil ver que o local próximo ao pólo norte geográfico da Terra é o pólo magnético sul da Terra, e o local próximo ao pólo sul geográfico da Terra é o seu pólo norte. pólo magnético. Tal posicionamento leva ao correto funcionamento da bússola: o norte magnético da agulha magnética determina o norte geográfico da Terra porque é atraído pelo pólo sul do planeta, que está localizado ao norte.
Em termos de pólos geográficos e o eixo de rotação dos planetas, base para a definição das coordenadas geográficas, as localizações geográficas dos polos magnéticos são atualmente as seguintes:
Pólo magnético norte
(2001)
81° 18′ N, 110° 48′ O
(2004)
82° 18′ N, 113° 24′ O
(2005)
82° 42′ N, 114° 24′ O
Pólo magnético sul
(1998)
64° 36′ S, 138° 30′ L
(2004)
63° 30′ S, 138° 00′ L
No entanto, vale lembrar que a bússola nem sempre aponta exatamente para esses pontos. A geolocalização mesmo com bússola deve ser feita com cautela devido, entre outras coisas, à presença ou ausência de material magnético no solo devido a perturbações relacionadas às condições do campo magnético local e deve ser associada a uma correção de ponto chamada declinação. As cartas de navegação geralmente fornecem a declinação magnética aplicável e sua área de cobertura.
A explicação de por que a Terra se comporta como um grande ímã é mais obscura, dado que o registro magnético registrado em rochas vulcânicas – em ímãs naturais, os verdadeiros “fósseis” magnéticos – sugere fortemente que a geografia dos pólos magnéticos da Terra mudou. Não apenas continuaram – como as medições atuais confirmam – eles realmente mudaram radicalmente. Nos últimos 17 milhões de anos, período não tão significativo se comparado aos 4,5 bilhões de anos devido à idade da Terra, a posição dos pólos magnéticos foi invertida cerca de 170 vezes.
Mesmo levando em consideração o fato de o manto e o núcleo da Terra serem essencialmente compostos de ferro não é suficiente para criar um modelo satisfatório. O material do manto é conhecido por estar em um estado líquido viscoso em temperaturas bem acima da temperatura de Curie do elemento, o que resulta em um estado não magnético. A mesma consideração, quando aplicada ao núcleo, é relevante mesmo que seja sólido. Até o momento, não existe um modelo cientificamente aceito para explicar o geomagnetismo e seu comportamento. Supõe-se que as correntes elétricas dos gradientes de temperatura dentro dos planetas desempenham um papel importante nesse processo.
