Pequena Cronologia do Eletromagnetismo
Uma pequena cronologia
A Antiguidade pouco contribuiu para o estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos. A única contribuição científica que vale à pena ser citada é a de TALES (640-550 a.C.) de Mileto, astrônomo e pensador grego, que realizou algumas observações elementares sobre eletrização ao friccionar o âmbar (uma resina fossilizada de pinheiros pré-históricos) com uma pele de animal: o âmbar (elèktron, em grego), adquiria o poder de atrair pequenos objetos próximos, como grãos de poeira, por exemplo. Além disso, Tales também relata as propriedades de atração e repulsão entre pedaços de um óxido de ferro, chamado de magnetita (Fe3SO4, cujo nome deriva provavelmente da região de origem do material - Magnésia - na Ásia Menor).
Depois disso, digno de menção, talvez, seja a invenção chinesa da bússola, criada aproximadamente no século II.
Nada de novo durante este período foi descoberto. Além da introdução da bússola na Europa por volta do século XIII, vale mencionar os comentários de Pierre PEREGRIN, filósofo e engenheiro do exército de Charles d'Anjou, sobre o magnetismo.
Renascimento e Idade Moderna
Depois de um longo silêncio, Jérôme CARDAN (1501-1576), filósofo, matemático e médico italiano, foi o primeiro a tratar dos fenômenos observados por Tales, explicando claramente em que diferiam as atrações do âmbar e da magnetita.
Depois dele, em 1600, surge o trabalho de William GILBERT (1540-1603), médico da rainha inglesa Elisabeth I, que publicou um tratado sistemático e crítico, De Magnete, sobre o que se sabia, até então, sobre magnetismo e eletricidade. Incluindo experimentos seus, em eletricidade relatou que outras substâncias gozavam da propriedade do âmbar depois de friccionadas por peles ou tecidos, denominando-as de elétricas, ou seja, que podiam ser eletrizadas como o âmbar. Exemplos: o lacre, o enxôfre, vidro, seda, etc.. Observou que metais não podiam ser eletrizados por fricção, chamando-os de não-eletrizáveis. Além disso, diferenciou os fenômenos elétricos dos magnéticos, criando a expressão vis electrica (força elétrica). Em magnetismo, traçou a forma das linhas de indução magnética aproximando uma pequena agulha de bússola de bolas de ferro magnetizadas, demonstrando a completa analogia da ação da terra sobre a bússola. Além disso, mostrou a impossibilidade de se obter um pólo magnético isolado partindo-se um imã em duas partes.
A situação não se alterou muito com os estudos de Otto von GUERICKE (1602-1686), físico alemão, que notou a repulsão de partículas de mesma carga, e construiu a primeira máquina eletrostática para eletrizar um corpo, o gerador eletrostático. Observou o poder das pontas nos corpos eletrizados e também que a chama de uma vela podia deseletrizar um corpo metálico carregado. Descobriu a indução elétrica, uma maneira de eletrizar um corpo sem qualquer contato com ele. Uma de suas mais importantes descobertas foi a de que substâncias eletrizadas, além da atração, podiam sofrer repulsão. Mas foi incapaz de explicar como uma bola carregada podia eletrizar outra por contato, ou seja, a condução ou transmissão da eletricidade. Talvez porque, para ele, a eletricidade fôsse uma qualidade intrínseca dos corpos e, portanto, não transmissível.
Os investigadores do século XVII e início do século XVIII encontraram-se com uma confusa coleção de observações sobre eletrização por atrito, formação de centelhas e efeitos da umidade atmosférica, que foram incapazes de explicar por causa da falta de conceitos eletrostáticos fundamentais.
Apesar disto, um considerável número de importantes observações qualitativas surgiu neste período. Em 1731, o inglês Stephen GRAY (1679-1736) demonstrou claramente a condução elétrica nos corpos, que foram então por ele classificados de condutores e não-condutores (isolantes). Lançou a idéia de associar a eletricidade a um fluído elétrico, universal e imponderável, capaz de depositar-se entre os poros e interstícios dos corpos materiais. Em 1759 Franz Ulrich Theodor ÄPINUS (1724-1802) mostrou a existência de todos os graus de transição entre os condutores e os não-condutores. Eles fizeram as primeiras observações da influência exercida por corpos carregados em condutores isolados.
Charles DU FAY (1698-1739), sábio francês, tornou-se correspondente de Gray. Realizou suas próprias observações de caráter científico, deixando de lado as interpretações metafísicas e o sensacionalismo das exibições nas cortes. Chegou à conclusão de que todos os corpos são eletrizáveis, ou seja, de que toda a matéria possui a propriedade que por séculos havia sido peculiar ao âmbar ou a um pequeno grupo de substâncias ditas elétricas. Suspendendo a si mesmo por fios de seda, constatou que, quando era eletrizado e outra pessoa se aproximasse bastante, ocorriam pequenas descargas elétricas e estalidos e no escuro viam-se centelhas. Notou também que todos os objetos eletrizados por meio de um mesmo bastão de vidro, repeliam-se mutuamente, mas atraiam objetos que haviam sido eletrizados por meio de âmbar. Concluiu, então, que deveriam haver dois tipos de eletricidade, que denominou vítrea e resinosa. Isto constituiu a teoria dos dois fluidos elétricos. De acordo com Du Fay, os corpos neutros continham a mesma quantidade do dois fluidos.
A etapa seguinte mostra a tentativa de armazenar, de alguma forma, o fluido elétrico. Em 1745, Ewald Georg VON KLEIST (1700?-1748), bispo da Pomerânia, teve a idéia usar uma garrafa de vidro tapada com uma tampa de cortiça com um prego atravessado. Pôs o prego em contato com um gerador eletrostático e, segurando a garrafa com uma mão e tocando no prego com a outra, levou um choque considerável, bem mais intenso do que aqueles que se sentia em contato com corpos comuns eletrizados. Repetindo a experiência com a garrafa cheia de água, o choque foi ainda maior. Cunhou, então, o termo condensador para a garrafa, o primeiro capacitor construído.
Quase na mesma época, na cidade holandesa de Leyden, Pieter VAN MUSSCHENBROEK (1692-1761), físico e matemático, repetiu as experiências de Kleist, cujo relato fora lido na Academia Francesa de Ciências, enquanto as observações de Kleist foram apenas enviadas a um amigo em Berlin. Assim, o mérito da descoberta acabou ficando com o holandês, e o condensador ficou conhecido como garrafa de Leyden.
A elucidação do fenômeno da garrafa de Leyden ocupou não só Äpinus, como também a Benjamin FRANKLIN (1707-1790). Norte-americano, interessou-se pela eletricidade após uma demonstração pública em Boston, em 1746. Entre 1747 e 1754, Franklin realizou uma série de experimentos, num dos quais descobriu que na garrafa de Leyden, o arame que sai da garrafa possui eletricidade contrária à do vidro da garrafa. Elaborou sua própria teoria para a eletricidade, contrária à então aceita teoria dos dois fluidos elétricos de Du Fay. Para ele, havia apenas um fluido elétrico, o qual todo o corpo não-eletrizado conteria em certa quantidade, e que era um elemento comum a todos eles. Se um corpo o possuísse em excesso, era chamado de positivo. Se o possuísse de menos, era negativo. Esta foi a teoria do fluido único, e não foi bem recebida pela comunidade científicada da época. Em 1759 foi definitivamente rejeitada, com base experimental, pelo inglês Robert SYMMER ( - ). Entretanto, a teoria do fluido único teve o mérito de introduzir o conceito da conservação do fluido elétrico. Outro mérito de Franklin foi o de estabelecer a natureza elétrica dos relâmpagos (1752), com a invenção do pára-raios, ao empinar uma pandorga durante uma tempestade.
Em conexão com os dois tipos de eletricidade estabelecidas por Franklin, em 1758 Johann Carl WILCKE (1732-1796) descobriu a polarização dos dielétricos, um fato prematuro e logo esquecido.
A força entre partículas carregadas começou a ser estabelecida em meados do século XVIII. Começou com a suspeita de uma relação com a lei da gravitação de Newton. Entretanto, em 1767 Joseph PRIESTLEY (1733-1804) encontrou forte evidência disto na descoberta sua e de seus amigos, entre eles Henry CAVENDISH (1731-1810), de que a carga de um condutor reside inteiramente em sua superfície, ficando seu interior completamente livre de influências elétricas, fato este que não mereceu muita atenção na época.
Em 1775, Alessandro Count Volta (1745-1827) desenvolveu o eletróforo (inventado por WILCKE) a partir da qual máquinas elétricas foram mais tarde desenvolvidas.
Durante o século XVIII, apenas uma descoberta sobre o magnetismo foi feita. Tão prematura quanto a descoberta de Wilcke, em 1778 Anton BRUGMANS (1732-1789) descobriu o diamagnetismo, quando observou que o bismuto era repelido por um imã.
Em 1785, Charles Augustin de COULOMB (1736-1806), um engenheiro civil miltar aposentado, realizou experiências com uma balança de torsão e enunciou a famosa lei que hoje leva seu nome "a força entre duas cargas é diretamente proporcional a carga em cada uma delas e inversamente ao quadrado da distância que as separa". Em 1786, Coulomb relatou que um condutor também blinda seu interior (ele desconhecia os relatos de Cavendish), e viu nisto também uma indicação para a lei de força enunciada. Entretanto, esta parte do relato foi tão completamente esquecida, que o efeito de blindagem hoje está ligado ao nome da Faraday.
Um médico italiano, Luigi GALVANI (1737-1798), por volta de 1770 começou a investigar a natureza e os efeitos da eletricidade em tecidos animais e na estimulação da musculatura por meios elétricos. Em 1792 foi capaz de contrair os músculos de uma perna de rã pela simples aplicação a eles de uma espira constituída de dois metais diferentes. Este foi o primeiro elemento galvânico: o músculo era tanto o eletrólito quanto o indicador de corrente. Galvani supôs, e não completamente erradamente, que estas eram manifestações de eletricidade animal, já conhecida dos peixes elétricos.
Estudando este assunto, Volta, em 1796, eliminou completamente a necessidade de um elemento biológico para o fenômeno e estabeleceu que uma condição essencial para a circulação elétrica num circuito condutor era que este fôsse constituído de dois (ou mais) condutores de "primeira" classe e um de "segunda" classe. Ele criou estas idéias, bem como o conceito de corrente elétrica estática, e sobre estas bases construiu, em 1800, a pilha voltaica, a precursora das baterias galvânicas, que nos anos seguintes se proliferam abundantemente.
A decomposição eletrolítica, agora vista como causa da produção da corrente galvânica, foi descrita em 1797, i.e., antes da pilha voltaica, por Alexander von HUMBOLDT (1769-1859), descoberta feita com uma célula constituída por eletrodos de zinco e de prata e com água entre eles.
Em 1799, Johann Wilhelm RITTER (1776-1810) separou eletroliticamente o cobre de uma solução de sulfato cúprico. E foi o primeiro a dizer que a reação química na célula galvânica era a causa da produção da corrente.
Em seguida, Humphry DAVY (1778-1829), em 1807, com suas pesquisas em eletrólise descobriu e separou os metais alcalinos. Em 1811, Davy construiu o arco carbônico com uma bateria de 2000 elementos, que serviu como fonte de luz elétrica até que Thomas Alva EDISON (1847-1931) inventasse a lâmpada incandescente em 1880.
Também em 1811, Siméon Denis POISSON (1781-1849) fez progressos com a lei de Coulomb, trabalhando na teoria do potencial, que tinha sido inicialmente desenvolvida para a gravitação. Ele mostrou que toda a eletrostática, não considerando a presença dos dielétricos, pode ser explicada pela lei de Coulomb ou, equivalentemente, pela equação diferencial de Laplace-Poisson.
No magnetismo, Hans Christian OERSTED (1777-1851), nascido numa pequena ilha do Báltico, em 1820 publicou um panfleto de 4 páginas com suas descobertas sobre a deflexão da agulha de uma bússola por uma corrente elétrica. Além disso, descobriu a correspondente força de um imã sobre um circuito elétrico girante.
Concorrentemente, em 1820, Jean Baptiste BIOT (1774-1862) e Félix SAVART (1791-1841) formularam, a partir de observações experimentais, a lei que leva seus nomes e que permite o cálculo de campos magnéticos produzidos por correntes elétricas.
O primeiro eletroimã foi descoberto em 1822 por Dominique François Jean ARAGO (1786-1853) e por Joseph Louis GAY-LUSSAC (1778-1850) quando verificaram que uma barra de ferro fica magnetizada se enrolada por um fio conduzindo uma corrente elétrica.
Neste mesmo ano, André Marie Ampère (1775-1836), sabendo das descobertas de Oersted, dedicou-se ao assunto e formulou a regra para indicar a direção do campo magnético criado por um circuito elétrico. Além disso, descobriu que circuitos paralelos com correntes na mesma direção se atraem, e se repelem quando as correntes são contrárias, e que solenóides atuam com imãs em barra.
Os efeitos magnéticos das correntes elétricas agora forneciam meios para se medir suas intensidade. Em 1826, Goerg Simon OHM (1789-1854) usou estes fatos para separar os conceito de força eletromotriz, gradiente de potencial e de intensidade de corrente elétrica e derivou a lei que leva seu nome e que estabelece a proporcionalidade entre a diferença de potencial em um condutor e a corrente elétrica produzida. O fator de proporcionalidade representa a resistência do material. Provou também que a resistência de um fio é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional a sua seção reta, criando assim a base para o conceito de condutividade dos materiais.
George GREEN (1793-1841) publicou, em 1828 "Um ensaio sobre a aplicação de análise matemática às teorias da eletricidade e do magnetismo", onde extendeu o trabalho de Poisson para obter um método de solução geral para o potencial.
A complementação deste trabalho foi obra de Karl Friedrich GAUSS (1777-1855), que publicou seu famoso trabalho em 1839. Sua teoria tornou-se mais abrangente, pois serviu de modelo para muitos outros campos da física-matemática. A contribuição de Gauss deu-se não apenas na definição de quantidade de eletricidade a partir da lei de Coulomb, como também forneceu a primeira medida absoluta do momento magnético de imãs e da intensidade do campo magnético terrestre, dando continuidade ao trabalho de Gilbert. Ele criou o primeiro sistema de unidades eletromagnéticas racional, no qual "uma unidade de quantidade de eletricidade é a quantidade que, a uma distância de um centímetro, repele uma quantidade igual com uma força de uma dina".
Trabalhando con Gauss, Wilhelm Eduard WEBER (1804-1891), físico alemão, investigou o magnetismo terrestre em 1833. Uma de suas maiores contribuições foi o desenvolvimento do telégrafo eletromagnético.
Joseph HENRY (1799-1878)foi o primeiro americano depois de Franklin a realizar experimentos científicos. Em 1830 ele observou o fenômeno da indução eletromagnética, mas como não publicou seus resultados, não recebeu o mérito por isto. Entretanto, recebeu distinção pela descoberta do fenômeno da autoindução. Em 1831 auxiliou a Samuel Finley Breese MORSE (1791-1872) a construir o telégrafo.
Surge, então, aquele que se tornaria o maior físico experimental em eletricidade e magnetismo do século XIX: Michael FARADAY (1791-1867). Em 1831 Faraday enrolou duas espiras de fio em torno de um anel de ferro e observou que a corrente exercia uma ação para trás que correspondia a sua ação magnética. Quando ele criou uma corrente elétrica na primeira espira, um pulso de corrente surgiu na segunda espira no instante em que o circuito foi fechado, e novamente quando o circuito foi aberto, porém no sentido contrário. Assim ele descobriu a indução. Alguns problemas com a direção da corrente induzida foram esclarecidos em 1833 por Heinrich Friedrich Emil LENZ (1804-1865), com sua conhecida lei (de Lenz). Em 1837, Faraday descobriu a influência dos dielétricos nos fenômenos eletrostáticos, e a partir de 1846 dedicou-se a descrever a distribuição geral das propriedades diamagnéticas em todos os materiais para os quais, em contraste, o paramagnetismo aparece como uma exceção. Para completar, Faraday ainda descobriu os efeitos do magnetismo sobre a luz.
Em 1845, com apenas 21 anos, Gustav Robert KIRCHHOFF (1824-1887) enunciou as leis que permitiam o cálculo de correntes, tensões e resistências para circuitos ramificados.
Em 1846, Weber criou um segundo sistema de unidades absoluto e consistente para a eletricidade independente da Lei de Coulomb. Os dois sistemas relacionam-se por uma constante com dimensão de velocidade. Weber, em 1852, calculou este valor chegando a um resultado fantástico: era igual a da velocidade da luz, 3 x 1010 cm/s.
Num trabalho de 1855-1856, James Clerk MAXWELL (1831-1879) forneceu a base matemática adequada para as linhas de força idealizadas por Faraday. Em 1862 ele adicionou a corrente de deslocamento à corrente de condução na Lei de Ampère, que ocorre em todos os dielétricos com campos elétricos variáveis, completanto o trabalho de Ampère. Em 1873 publicou seu "Tratado sobre eletricidade e magnetismo" . Em 1865 mostrou que as ondas eletromagnéticas possuem a velocidade da luz, a qual ele recalculou com precisão, concordando com o resultado de Weber.
Em 1884, Heinrich Rudolf HERTZ (1857-1894) rederivou as equações de Maxwell por um novo método, colocando-as na forma atual.Além disso, foi o primeiro a emitir e receber ondas de rádio.
As bases da atual teoria eletromagnética estavam assim postas. Nova contribuição adicional surgiu em 1884, quando John Henry POYNTING (1852-1914), um dos estudantes de Maxwell, mostrou que o fluxo de energia de uma onda eletromagnética podia ser expresso numa simples forma, usando-se os campos elétrico e magnético.