MAGNETISMO NO TEMPO E NO ESPAÇO

O Magnetismo pode ser um assunto muito atraente.

Por Prof. Dr. Alberto Tufaile e Profa. Dra. Adriana Pedrosa Biscaia Tufaile

Introdução

No livro de James Livingston [1] sobre magnetismo encontramos as seguintes relações e aplicações em diferentes áreas como Astronomia (campos magnéticos de planetas e estrelas), Biologia (animais magnetosensíveis), Geologia (geomagnetismo e minerais magnéticos), Medicina e Saúde (imagens através de ressonância magnética), Tecnologia (motores, disco rígido de computador e memórias), Física (lei de Faraday), Sistemas de defesa e produção de armas (mísseis e radares), Entretenimento (brinquedos, jogos e mágica), Cinema (James Bond, Star Trek e X-Men), Pseudociência (magnetoterapia, percepção extrasensorial e radiestesia) e Literatura (Platão, Viagens de Gulliver e Contos das 1001 noites). Nos tempos de hoje os materiais magnéticos estão ficando cada vez mais cobiçados e isto tem criado situações de conflito de interesses geopolítico, com consequências ambientais profundas [2], pois os elementos que constituem os materiais magnéticos criados recentemente estão diretamente ligados à produção de turbinas eólicas, painéis solares e produção de baterias elétricas mais duráveis, pois estes dispositivos dependem de minerais de elementos químicos conhecidos como terras raras. Isto mostra que os ímãs possuem muito mais aplicações do que apenas manter mensagens nas geladeiras.

A simples observação dos efeitos do magnetismo teve um impacto muito intenso até mesmo em Einstein quando ele era criança, que ficou maravilhado quando viu uma força invisível atuando no movimento da agulha de uma bússola, fazendo com que ele considerasse que havia algo escondido e profundo, que deveria estar por trás de todas as coisas.

Como no caso de Einstein, a humanidade percebeu algo “revelador” ou “mágico” relacionado com o estudo do magnetismo. O principal motivo para isso é o fato de nós vivermos em um ambiente repleto de campos magnéticos, sem termos um sentido imediato para percebê-los. Para os seres humanos, quando os fenômenos magnéticos se manifestam de alguma forma, isto faz com que nossa percepção vá além da visão, tato, olfato, paladar e audição, sendo necessário abstrairmos o mundo que nós conseguimos observar diretamente. O magnetismo é uma propriedade da matéria, assim como a eletricidade ou a massa que tem a capacidade de criar algo chamado campo magnético, que se estende além da matéria. Este campo de forças magnéticas pode preencher todo o espaço ao redor dos objetos e deste modo induzir movimentos entre estes mesmos objetos, que não estão em contato direto perceptível pela nossa visão. Isto nos lembra da capacidade de ação à distância dos “Jedis”, personagens fictícios do filme “Star Wars”. Na história do desenvolvimento científico, as perguntas feitas para responder sobre os efeitos observáveis do magnetismo, nos fizeram avançar de modo fantástico na nossa compreensão do universo.

O magnetismo vai muito além do caso da “Força” da ficção científica de Star Wars, pois ele está presente não só em as todas as coisas vivas, mas também em todos os objetos inanimados. Assim como no caso do mundo de Luke Skywalker e Darth Vader, o magnetismo de um ímã possui dois pólos, um chamado norte e outro chamado sul. Curiosamente, todos os ímãs que nós conhecemos possuem os dois pólos sempre presentes, não sendo observada a presença de um monopolo magnético, isto é, um polo norte sozinho passeando por aí. No caso do magnetismo, o polo oposto e complementar sempre está presente, sendo que deste modo, os dois lados desta força nunca ficam isolados, diferentemente do caso das cargas elétricas, que podem ser separadas, ou no caso da força da gravidade, que apresenta somente um tipo de carga atrativa. Esta é uma das equações básicas da Física do Eletromagnetismo: a não existência de monopolos magnéticos. Assim como no caso do Taoísmo onde existe o conceito de opostos complementares do Yin e do Yang, não existe um terceiro tipo de polo magnético, apenas os pólos norte e sul. A possibilidade da existência de monopolos magnéticos foi proposto pelo brilhante físico inglês Paul Dirac, sendo que a procura de monopolos magnéticos é uma área de pesquisa envolvente, já que o reconhecimento de um monopolo magnético poderia dar um prêmio Nobel, mas os resultados obtidos até agora não conseguiram ser conclusivos [3].

Este emparelhamento de pólos é chamado de dipolo magnético, sendo que estes dipolos podem ser observados desde as partículas conhecidas como elétrons, até estrelas gigantescas, ocorrendo também em objetos do cotidiano como as agulhas imantadas das bússolas ou ímãs de geladeira. Como sabemos disso? Apenas através da observação dos campos magnéticos nos objetos, não podemos deduzir isto através do raciocínio puro sobre estas propriedades, precisamos medir os campos magnéticos.

Materiais Magnéticos

As propriedades “mágicas” do minério magnético conhecido como magnetita, descoberta pelos chineses no século IV a.C., acabaram levando às aplicações tecnológicas como construção de bússolas, imantação de metais e a descoberta de que a Terra inteira é um ímã.

Podemos definir o magnetismo nos materiais com o modo que o material reage à aplicação de um campo magnético externo. Por exemplo, apesar do fato de que o magnetismo estar presente em toda a matéria, o termo ímã ou magneto é utilizado apenas para os materiais que conseguem manter um campo magnético na ausência de um campo magnético externo.

A classificação do magnetismo em materiais magnéticos é bem técnica, com nomes de jargão conhecidos como ferromagnetismo, ferrimagnetismo, diamagnetismo, paramagnetismo, sperimagnetismo [4] e assim por diante. Nas figuras 2 e 3 apresentamos alguns materiais magnéticos na presença de campos magnéticos externos. Observe que o campo magnético vai além do material e que não pode ser visto por nós.

Na figura 2, vemos a limalha de ferro dentro de uma ampola de vidro se alinhando com o campo magnético criado por um par de ímãs. Este material apresenta um magnetismo conhecido como ferromagnetismo. Na figura 3, vemos um líquido com propriedades magnéticas bem curiosas, um líquido conhecido como ferrofluido [5], que possui um magnetismo conhecido como superparamagnetismo.

A Era do Eletromagnetismo

Vários cientistas contribuíram para a compreensão e o desenvolvimento de tecnologias envolvendo o magnetismo. Por exemplo, Michael Faraday mostrado na nota de vinte libras da Inglaterra (figura 4) desenvolveu o conceito de campo magnético e iniciou a técnica para a construção do motor elétrico.

Foi Faraday quem propôs o método mais popular para a representação do campo magnético. Ele imaginava o espaço ao redor do ímã (ou corrente) preenchido de linhas de campo magnético e desenvolveu a noção intuitiva de que o espaço é modificado pelo ímã, mesmo se este campo estiver no vácuo. Podemos pensar que neste momento entramos na “Era do eletromagnetismo”. Com os estudos de Faraday, a ciência passou a explorar os princípios fundamentais do funcionamento de motores elétricos, geradores elétricos, indutores e transformadores, pois conseguiu explorar as relações entre magnetismo, eletricidade e movimento. Depois disso, ainda associamos o desenvolvimento tecnológico deste eletromagnetismo com a transmissão e armazenamento de informações.

Fazendo um exercício mental de imaginarmos a civilização humana sem a utilização dos materiais magnéticos e a tecnologia relacionada com campos eletromagnéticos, voltaríamos para a idade da máquina a vapor e documentos guardados em arquivos de papel. Nossa sociedade é extremamente dependente do eletromagnetismo.

Quando a corrente elétrica da pilha passa pela bobina, cria um campo magnético que se alinha com o campo magnético do ímã. Porém, o contato elétrico da bobina com a pilha é interrompido, pois o fio de cobre é parcialmente desencapado, desligando o campo da bobina. Como este processo é cíclico, a bobina não para de girar.

O Magnétron

Na Física, as aplicações do magnetismo são inúmeras, por exemplo, os aceleradores de partículas como o LHC (Large Hadron Colider) utilizam ímãs capazes de acelerar prótons até próximo da velocidade da luz. Mas se você desejar se aproximar de um acelerador de partículas que utiliza campos magnéticos, você pode ir até uma cozinha com um forno de microondas. Dentro do aparelho existe uma válvula chamada Magnétron, que está mostrada em detalhe na figura 6.

Esta válvula libera elétrons por aquecimento que são introduzidos em uma cavidade contendo campos magnéticos criados por ímãs. Dentro destas cavidades os elétrons ficam confinados, são excitados e geram microondas, num processo análogo àquele quando uma corda de violão é dedilhada, ela produz uma onda sonora. As microondas são ondas eletromagnéticas.

O magnetismo e o meio ambiente

Isto é tudo? Não, não é tudo, isto é só uma ínfima amostra do magnetismo no tempo e no espaço, mas que nos ajuda a entender alguns aspectos ambientais do magnetismo. A humanidade explora os efeitos dos campos magnéticos por séculos, envolvendo desde a magia na China antiga, passando por acupuntura em conjunto com ímãs, navegação, chegando até aceleradores de partículas.

Assim, devido à necessidade cada vez mais intensa de dispositivos baseados em princípios eletromagnéticos, nossos equipamentos e sistemas estão ficando cada vez mais sensíveis às interações da radiação eletromagnética natural.

Por exemplo, as interações entre os campos magnéticos criados pelo o Sol e a Terra estão recebendo atenção atualmente. O campo magnético do Sol está relacionado com o número de manchas solares, que variam em um ciclo regular com um período de cerca de 11 anos. Segundo Verma [7] “as manchas solares são como sardas no rosto brilhante do Sol”. As manchas solares aparecem durante a inversão dos pólos magnéticos do Sol.

Desde que o ciclo foi relatado pelo alemão Samuel Schwabe em 1843, vários cientistas ficaram intrigados pela possibilidade de que este ciclo de surgimento de manchas poderia influenciar as condições meteorológicas e o clima na Terra, enquanto que outros tentaram relacionar este ciclo até com os índices da bolsa de valores. Isto acabou levando a questão: Quais são os impactos das explosões solares nas atividades humanas?

Ainda que não exista uma resposta definitiva para esta pergunta para o caso do clima, nós sabemos que campo magnético da Terra protege a vida no nosso planeta da enorme quantidade de radiação que é atirada na nossa direção, durante as tempestades magnéticas relacionadas com as manchas solares, o chamado vento solar, representado no lado direito do diagrama da figura 7. Porém, segundo a Agência Espacial Norte Americana (NASA), as manchas solares podem influenciar o sistema de satélites artificiais que utilizamos para comunicações [8].

Nossa magnetosfera, representada em azul ao redor da Terra na figura 7, é o magnetismo natural do nosso planeta, sendo que ela aprisiona partículas de um modo que lembra um pouco como a válvula Magnétron aprisiona os elétrons, criando barreiras de partículas conhecidas como cinturões de van Allen. Estas partículas quando se aproximam dos pólos magnéticos participam da dinâmica da formação de duas auroras, a aurora boreal e aurora austral.

Além disso, existe a possibilidade de apagões elétricos em algumas regiões da Terra, como o caso que ocorreu em Quebec em 1989 [8]. Estes danos podem sair muito caro ou exigir reparos muito difíceis, pois estamos ficando cada vez mais dependentes do eletromagnetismo.

Existe ainda um fato curioso sobre o campo geomagnético e o Brasil: existe um mergulho do campo magnético terrestre caminhando na direção do nosso país, conhecido como Anomalia Magnética do Atlântico Sul (“AMAS” ou SAA em inglês) mostrado no diagrama do lado direito da figura 7 [9]. A NASA relatou que alguns instrumentos pifaram e computadores pararam de funcionar quando estavam em órbita da Terra e passaram por esta região.

Uma especulação: assim como as manchas solares estão relacionadas com a inversão do campo magnético do Sol, seria esta anomalia um fenômeno indicando uma inversão do campo magnético da Terra num futuro próximo? Sabe-se que o campo magnético da terra se reverte de tempos em tempos, sendo que o último foi aproximadamente 41.000 anos atrás [10]. Olhando as referências que indicamos para este assunto, você vai ver termos catastrofistas como “extinção em massa”, então nós vamos parar com as especulações por aqui, pois muitos cientistas estão investigando estes fenômenos e ainda não existe um consenso sobre muita coisa.

Conclusão

O assunto sobre magnetismo é fascinante e possui várias ramificações do ponto de vista histórico, científico e tecnológico. Muita coisa ainda está sendo estudada, criada e relacionada com as propriedades dos campos magnéticos, como por exemplo, capacetes com campos magnéticos controlados por computador que podem afetar a sua percepção e seu humor. Assim como Einstein ficou encantado com uma bússola quando era criança, o mundo invisível do magnetismo continua sendo um delicioso desafio para a humanidade, mas difícil de garantir o que será descoberto, pois como disse o cientista dinamarquês Niels Bohr, cujo nome é dado ao momento magnético do elétron: “fazer previsões é muito difícil, principalmente sobre o futuro”.

Referências

[1] Driving Force, The natural Magic of magnets, James D. Livingston
[2] The geopolitics of China’s rare earth: a glimpse of things to come in a resource-scarce world. Discussion Brief. Stockholm Environment Institute
http://www.sei-international.org/mediamanager/documents/Publications/SEI-2014-DiscussionBrief-China-Rareearths.pdf
[3] Magnetic monopole http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_monopole
[4] Efeito Kerr magnetoóptico espectral e Sperimagnetismo de filmes amorfos de terra rara-Co, Adriana Pedrosa Biscaia Tufaile, Tese de doutorado, Instituto de Física, Universidade de São Paulo (2001).
http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-05072012-171055/pt-br.php
[5] Da Física do Faraó ao Fóton, percepções, experimentos e demonstrações de Física, Alberto Tufaile e Adriana Pedrosa Biscaia Tufaile, editora Livraria da Física (2013).
[6] Campos Magnéticos, Ferrofluidos e Corpos Celestes, vídeo de Renan Amorim, Iniciação Científica: https://www.youtube.com/watch?v=58slOHrcncY
[7] Ideias Geniais, Os principais teoremas, teorias, leis e princípios científicos de todos os tempos, Surendra Verma, Editora Gutenberg, (2012).
[8] Space Weather: What impact do solar flares have on human activities? Um site da NASA http://hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/spaceweather.htm
[9] Anomalia do Atlântico Sul http://pt.wikipedia.org/wiki/Anomalia_do_Atl%C3%A2ntico_Sul
[10] Geomagnetic Reversal http://en.wikipedia.org/wiki/Geomagnetic_reversal

Profª Drª Adriana P. B. Tufaile: Física e professora da Escola de Artes, Ciências e Humanidades (EACH) da Universidade de São Paulo (USP), doutora na área de Materiais Magneto-Ópticos, com pós-doutorado em Caos Quântico e Matrizes Aleatórias. Atualmente pesquisando na área de Caos e Sistemas Dinâmicos em Matéria Mole e na área de Ensino de Física.

Prof. Dr. Alberto Tufaile: Físico e professor da EACH – USP, doutorado e pós-doutorado na área de Caos e Sistemas Dinâmicos atualmente trabalhando com Matéria Mole (ferrofluidos e espumas) e Ensino de Física.

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