O descobrimento e o valor do eletromagnetismo

Edição 54 – Julho de 2010
Por Weruska Goeking

Entenda como as duas ciências – eletricidade e magnetismo – mudaram o curso da humanidade e como seu desenvolvimento levou ao avanço de tecnologias que transformaram a sociedade.

 

Brincar com um imã observando como seus polos podem se atrair ou se repelir muitas vezes é visto como um gesto banal. Mas a observação mais atenta desse fenômeno foi responsável por iniciar um processo de estudos e experimentos que levaram ao desenvolvimento de muitas tecnologias e confortos que temos hoje. Equipamentos como o rádio, o capacitor, o gerador, o relé eletromagnético e o transformador não teriam sido criados não fosse o longo caminho percorrido por diversos cientistas que estudaram as propriedades e as possibilidades do magnetismo e da eletricidade.

Mas a pesquisa, separadamente, do magnetismo e da eletricidade não seria o bastante para a invenção desses equipamentos, que só existem graças ao eletromagnetismo, que é justamente a junção dessas duas ciências. Assim, para entender a história desse fenômeno, é preciso conhecer o processo de descoberta e desenvolvimento dessas duas matérias para, a partir disso, entender seu uso em conjunto e a compatibilidade entre aparelhos elétricos e eletrônicos.

A trajetória não foi fácil e, por muito tempo, o magnetismo e a eletricidade trilharam caminhos completamente diferentes um do outro. A história tem início no ano 600 AC, quando Tales de Mileto dá o pontapé inicial para o estudo da eletricidade ao se tornar o primeiro pensador a estudar as propriedades de atração e repulsão resultantes do atrito entre diferentes materiais, em particular o âmbar. A partir de sua experiência, diversos estudiosos voltaram seus esforços para a criação de um meio para produzir eletricidade continuamente. Essa busca era importante, pois a energia contínua permitiria a execução de diversas experiências.

O magnetismo surge 500 anos depois quando outro pensador – Lucretius – identificou a magnetita, uma pedra que era um imã permanente natural. A pedra recebeu o nome de magnetita por ser uma derivação do antigo nome da área em que foi encontrada, na Grécia. De acordo com documentos antigos, Tales de Mileto teria deixado o seguinte registro: “o ferro pode ser atraído por uma pedra que os gregos chamaram Magneto pela sua origem, porque é originária das terras dos magnésios, habitantes da Magnésia em Thessaly”.

Apesar de as primeiras descobertas dos fenômenos terem ocorrido séculos antes de Cristo – de acordo com o calendário gregoriano que usamos hoje – levou muito tempo para que outras pesquisas obtivessem avanços significativos. Uma das causas apontadas por estudiosos para o atraso tecnológico em diversos ramos de estudo foi o período da Idade Média, por conta de sanções impostas pela igreja católica a inúmeros cientistas. “Apesar de o magnetismo não ter sido afetado pelas pressões da igreja, como ocorreu com a mecânica, pouca gente se interessou por esta ciência até o século XIII”, conforme explica o professor titular da disciplina de engenharia eletromagnética e diretor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), José Roberto Cardoso.

Assim, a história do magnetismo ganha experiências notáveis em meados do ano de 1260, quando um engenheiro da cruzada do exército francês, Pierre de Magnicourt, passou a estudar as magnetitas recolhidas durante o caminho percorrido pelos soldados e a realizar experiências com as pedras. Ele foi o primeiro pesquisador a cunhar o nome de polo para as extremidades norte e sul da pedra magnética.

Ao perceber a descoberta que tinha feito, escreveu para um amigo relatando as experiências realizadas e seus respectivos resultados. Nela, Magnicourt detalhou como construir instrumentos usando imãs permanentes. Essa carta é considerada o primeiro artigo científico da história e Magnicourt ficou marcado como o primeiro cientista experimental da humanidade pelo pesquisador Roger Bacon, responsável pela estruturação do método experimental para validar estudos.

Exatamente quatro séculos depois, a saga pela eletricidade iniciada por Tales de Mileto foi concluída pelo alemão Otto von Guericke, que criou a máquina eletrostática, um equipamento de atrito que gera eletricidade em quantidade significativa. O invento foi possível a partir de uma correia que fazia uma esfera de enxofre girar com o atrito criado entre os materiais e acumular eletricidade estática. Isso permitiu a realização de inúmeras experiências que necessitavam de eletricidade contínua, levando ao avanço dos estudos relacionados à energia elétrica. A experiência também levou à teoria de que a eletricidade poderia causar repulsão e que os relâmpagos poderiam ter origem elétrica, fato que foi comprovado, mais tarde, por Benjamin Franklin, um estadista americano que gostava de fazer experiências científicas.

Franklin dedicou-se por sete anos aos estudos da eletricidade e da meteorologia e comprovou a origem elétrica dos raios. Seu maior legado para o eletromagnetismo foi a descoberta, em 1748, das cargas elétricas positivas e negativas.

Outra contribuição para a história do eletromagnetismo veio de um estudioso do magnetismo terrestre. William Gilbert de Colchester fala em seu livro publicado em 1600 “sobre os ímãs, os corpos magnéticos e o grande imã terrestre”, sobre estudos de eletricidade estática empregando o mesmo material que Tales de Mileto usou, o âmbar, que em grego significa elektron. Por isso, Colchester batizou o fenômeno com o nome de eletricidade.

Ainda no século XVIII entra em cena outro pesquisador importante para o desenvolvimento da eletricidade. Henri Cavendish, dono de uma personalidade exótica e excessivamente tímida, realizou diversos experimentos que acabaram sendo conhecidos por meio de outros cientistas justamente porque ele não costumava divulgar suas descobertas. Umas delas foi a lei da atração entre cargas elétricas, conhecida como “Lei de Coulomb”, que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas e tem papel fundamental no desenvolvimento da eletricidade.

A “Lei de Coulomb” recebeu essa denominação por ter sido formulada – anos após a experiência de Cavendish – e publicada pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb, que, justamente pela timidez de Cavendish o ter impedido de disseminar seus estudos, não sabia da descoberta do cientista. As experiências de Cavendish só foram descobertas após sua morte pelo cientista James Clerk Maxwell no final do século XIX.

 

 

Eletricidade impulsiona estudos

Descoberta a eletricidade, esta passou a estimular outros estudos para o seu próprio desenvolvimento, mas com a f

alta de conhecimento sobre seus efeitos, acidentes começaram a acontecer e o primeiro deles foi em 1746. Como o ditado popular diz: “há males que vêm para o bem”. E foi isso o que aconteceu com uma das experiências do professor da Universidade de Leiden localizada na Holanda, Pieter van Musschenbroek, e que que viria a se tornar um importante equipamento elétrico.

O professor havia criado um dispositivo com um fio de cobre introduzido em um tubo metálico com água e colocado em contato com uma máquina eletrostática. Se uma pessoa tocava o cano enquanto o fio de cobre estava em contato com a máquina, a eletricidade era armazenada nas paredes do tubo, mas o professor não havia conseguido chegar a essa conclusão sozinho.

A capacidade de armazenamento de energia só foi descoberta após o professor se ausentar do laboratório e um de seus alunos tocar uma ponta do fio de cobre enquanto a outra extremidade ainda estava conectada à máquina. O resultado foi uma forte descarga elétrica que, se não matou o estudante, fez seu professor entrar para a história da eletricidade.

A experiência é conhecida até hoje como “garrafa de Leiden” e ajudou a entender a eletricidade e o desenvolvimento de maneiras para armazenar energia em pequenos espaços. A “garrafa de Leiden” é considerada como o projeto embrionário do equipamento que conhecemos hoje como capacitor.

Da mesma forma que ocorre com muitas descobertas científicas, outro pesquisador já havia feito experimento similar, mas não houve disseminação do conhecimento. Em 1745, na região em que atualmente está a Alemanha, Ewald Georg von Kleist usou uma garrafa de vidro com água em vez do tubo metálico e uma rolha perfurada por uma haste metálica que ficava em contato com a água. Como naquela época não existia a tecnologia que temos hoje para o compartilhamento de informações entre cientistas, a experiência de Kleist não interferiu nos estudos de Musschenbroek e também não ganhou muito espaço na história da eletricidade.

Como o uso da eletricidade ainda não havia sido totalmente desvendado, além de acidentes, testes dos mais diferentes tipos eram feitos. Um deles foi realizado pelo médico Luigi Galvani, que acreditava que a eletricidade poderia servir para o tratamento de doenças e até curar pessoas. Na época, o peixe elétrico era usado na eletroterapia.

Em 1780, enquanto dissecava uma rã para mais um de seus estudos, um dos assistentes de Galvani tocou o nervo do animal com um instrumento médico metálico, levando a rã a se movimentar involuntariamente toda vez que uma máquina eletrostática próxima produzia faíscas.

A observação o levou a acreditar que era preciso ter vida para gerar eletricidade, mas, anos depois, o próprio Galvani percebeu que a energia era gerada a partir de reações químicas. Essa experiência teria inspirado a escritora inglesa Mary Shelley a criar o clássico romance Frankenstein.

O experimento ficou conhecido como eletricidade galvânica, originou a bioeletricidade e deu embasamento teórico para a criação da primeira bateria elétrica, conhecida como pilha voltaica. Porém, o responsável pela criação da pilha foi o cientista e colega de Galvani, Alessandro Volta, que, em 1800, realizou uma experiência usando uma placa de chumbo e outra metálica, colocando entre elas uma solução com água e sal para gerar eletricidade. O resultado foi a disponibilidade de energia elétrica a qualquer instante, ou seja, era a invenção da pilha.

A junção das ciências

Após séculos de estudos e pesquisas separados, a ligação entre magnetismo e eletricidade foi finalmente encontrada. O feito se deve ao professor dinamarquês da Universidade de Copenhague, Hans Christina Oersted, que, em 1819, observou que a agulha de uma bússola – ao se aproximar de uma corrente elétrica – mudava sua direção.

Se a agulha magnética da bússola é guiada por um campo magnético, somente a existência de um campo como esse na corrente elétrica explicaria o fato. Assim, Oersted constatou que os dois fenômenos não são independentes, mas que um está no outro Assim, nasceu o eletromagnetismo, que une as duas ciências que antes existiam isoladamente. A percepção da existência do eletromagnetismo levou ao desenvolvimento de transformadores, motores e geradores elétricos e até mesmo da comunicação sem fio.

A partir disso, os cientistas tiveram maior embasamento para desenvolver seus estudos, levando a novas invenções e a consequente evolução das tecnologias. Um exemplo disso foi André-Marie Ampère que, fascinado com a descoberta de Oersted, criou a eletrodinâmica, que é o estudo da energia elétrica em movimento.

A importância de Faraday

A essa altura, todos os cientistas que estudavam eletricidade e magnetismo sabiam que a corrente elétrica produzia campo magnético. Mas e o inverso? A questão foi respondida exatamente no dia 29 de agosto de 1831 pelo físico e químico inglês, Michael Faraday. Contudo, foi um longo caminho até a solução do mistério.

O futuro pesquisador teve uma infância difícil e começou a trabalhar já aos 13 anos como auxiliar em uma livraria. O contato com os livros de ciência despertou a curiosidade do garoto que até então sabia apenas ler e escrever, mas aprendeu ciência lendo todos os livros que foram permitidos em seu trabalho.

Apesar do interesse, Faraday não havia realizado nenhum experimento até saber da descoberta de Oersted. Dessa forma, a partir de 1820, Faraday – assim como diversos outros cientistas de sua época – entrou em contato com o eletromagnetismo. Seu conhecimento mais aprofundado sobre o fenômeno teve início quando se tornou assistente do professor, químico inglês e presidente do Royal Society, Humphry Davy.

Faraday registrou em um caderno todas as experiências relacionadas ao eletromagnetismo realizadas por Davy e as informações dadas por seu tutor em conferências durante sete anos. Seu trabalho em conjunto com Davy no Royal Society levou o editor da Revista Annals of Philosophy – importante publicação da época – a convidá-lo a escrever sobre o novo campo de pesquisas eletromagnéticas.

Para redigir seu artigo, Faraday reproduziu várias experiências que conheceu por meio de livros, dando novas interpretações aos resultados. Foi assim que o cientista conseguiu entender melhor a experiência de Oersted e deu início a novos trabalhos usando fios condutores de energia e imãs. O resultado foi a obtenção de rotações desses materiais, ou seja, a transformação de eletricidade em energia mecânica.

A descoberta fez com que Faraday conseguisse o respeito da comunidade científica. Ele chegou a trocar correspondências com Ampère sobre as pesquisas que ambos realizavam e suceder Davy na superintendência do Royal Society. “Faraday era extremamente pobre e se tornou o cientista mais importante de sua época”, acrescenta o professor José Roberto Cardoso.

Em 28 de dezembro de 1924, ele fez uma experiência que iniciou seu caminho para a descoberta da indução magnética. O objetivo do estudo era verificar se os imãs teriam algum efeito sobre correntes elétricas, já que o contrário já havia sido comprovado por Oersted. Para isso, colocou um imã em um solenóide ligado aos polos de uma bateria, mas, infelizmente, não foi dessa vez que Faraday conseguiu observar algum fenômeno.

O fracasso experimental foi repetido nos anos subsequentes até que, em 29 de agos

to de 1831, ele conseguiu observar a formação de uma corrente elétrica a partir de outra corrente. Meses depois, em 17 de outubro, Faraday conseguiu obter eletricidade por meio de uma variação em um campo magnético e conseguiu mais um feito: esse seria o embrião da criação do gerador, o dínamo.

Com isso, Faraday inventou a chamada “lei de indução eletromagnética” ou “lei de Faraday-Neumann-Lenz”, que levou ao desenvolvimento do transformador. Em uma tradução simples, a lei seria a seguinte: “o sentido da força eletromotriz induzida é aquele que tende a se opor à variação do fluxo magnético através da espira”. Segundo o professor Cardoso, “a engenharia elétrica propriamente dita começou a partir disso”.

Naquele mesmo ano, Faraday anunciou a criação da lei de indução eletromagnética, mas ela não foi divulgada sob a forma de uma equação, como se apresenta hoje. Isso só aconteceu com a descrição das quatro leis fundamentais do eletromagnetismo por James Clerk Maxwell, em 1860.

Maxwell estudou todo o conhecimento prévio sobre os fenômenos eletromagnéticos e compilou as pesquisas. Seu trabalho pode ser resumido em quatro equações, denominadas Equações de Maxwell, que constam no livro Treatise of Electricity. “O eletromagnetismo era experimental até então. Com Maxwell virou teoria”, explica Cardoso.

O cientista também “previu”, em 1865, que o campo magnético era capaz de se propagar no espaço – hoje chamado de teoria das ondas eletromagnéticas –, mas ainda não tinha condições de comprová-la. O físico alemão, Heinrich Hertz, conseguiu executar experiências e comprovar a teoria de Maxwell 23 anos depois.

Aos 30 anos, Maxwell deixou os experimentos científicos de lado para atender a um pedido do rei britânico: desenvolver e cuidar do Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge. Cardoso conta que foi a partir da criação deste laboratório que as tecnologias da área se desenvolveram rapidamente. “Não eram mais pessoas trabalhando isoladamente, mas sim grupos e empresas”, conta o professor.

O Laboratório de Cavendish é muito importante para a ciência até os dias atuais e já laureou 29 prêmios Nobel. O último deles foi o Nobel de Medicina, devido à descoberta da estrutura do DNA humano, em 1959. Por todas as contribuições feitas para a sociedade científica, Cardoso considera Maxwell um dos mais importantes cientistas da história. “No ano de sua morte, nasceu Albert Einstein, que criou a teoria da relatividade se baseando em conhecimentos prévios de Maxwell”.

Interferência eletromagnética

A interferência eletromagnética surgiu por volta de 1970 com o advento dos aparelhos digitais, que são muito suscetíveis às ondas eletromagnéticas emitidas por equipamentos elétricos e eletrônicos.

Até alguns anos atrás, bastava ligar um liquidificador na cozinha enquanto uma tevê estava ligada na sala para perceber a interferência. A imagem ficava muito ruim durante o uso concomitante dos aparelhos. Hoje, em alguns casos, o telefone fixo ainda sofre interferência quando um celular está próximo e sendo usado simultaneamente.

Todas as situações citadas são exemplos de interferência eletromagnética, mas o desenvolvimento de tecnologias já conseguiu diminuir, ou até mesmo eliminar, a interferência entre alguns equipamentos. Com a evolução tecnológica, os equipamentos emitem cada vez menos ondas eletromagnéticas e são menos afetados por ondas geradas por outros aparelhos.

Para evitar o mau funcionamento dos eletroeletrônicos, foram criadas “blindagens”, geralmente feitas com algum tipo de metal. Contudo, com a miniaturização dos equipamentos e os altos custos implicados na blindagem, pesquisadores já procuram um substituto para o material e, em 2007, um grupo da Universidade de Virgínia conseguiu criar um plástico com boa condutividade elétrica e capacidade de blindagem maior que a encontrada nos metais usados hoje.

Efeitos em seres humanos

A preocupação com os efeitos das ondas eletromagnéticas de baixa frequência (linhas de transmissão, etc.) teve início por volta de 1980 e, com o aumento de estudos em torno desse assunto, a Organização Mundial de Saúde (OMS) chegou a criar em seu site uma seção totalmente dedicada ao assunto, que reúne artigos e a regulamentação sobre campos eletromagnéticos em todo o mundo (www.who.int/topics/electromagnetic_fields/).

O site faz parte do projeto EMF International (Extremely Low Frequency Fields, Campos de Frequência Extremamente Baixas) da OMS, do qual o Brasil faz parte. A proposta é reunir estudos sobre interferência eletromagnética em seres humanos.

Há um número elevado de pesquisas sobre o tema, mas, de acordo com o presidente da Associação Brasileira de Compatibilidade Eletromagnética (Abricem), Eduardo Kokubo, nenhum deles ainda foi capaz de provar uma relação direta entre a exposição às ondas eletromagnéticas e o desenvolvimento de alguma doença.

Uma das principais linhas de pesquisa dos estudos procura constatar se há alguma ligação entre o eletromagnetismo e o surgimento de cânceres, principalmente de cérebro. “Os estudos recentes mostram alguma relação, mas ainda não é capaz de provar causa e efeito”, explica Kokubo. “Todos esses efeitos de exposição prolongada – como câncer – é um estudo difícil de ser feito e, pela própria demora do câncer se desenvolver, ainda não conseguimos estabelecer a relação”, completa.

Apesar disso, a OMS já classificou as ondas eletromagnéticas como possivelmente cancerígenas para humanos, “juntamente com o café, a gasolina e outras coisas presentes em nosso dia a dia”, conforme Kokubo.

Para minimizar os efeitos desse fenômeno, foi sancionada, em 5 de maio de 2009, a Lei nº 11.934, que fixa limites para a exposição humana a campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos, além de substituir a antiga legislação de 1965. Os limites que ela preconiza são baseados em fenômenos cientificamente comprovados e dizem respeito a campos eletromagnéticos oriundos de instalações de geração, transmissão e distribuição de energia.

Em março deste ano, foi publicada pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) a Resolução Normativa nº 398 para regulamentar a lei nº 11.934. Outra normalização sobre o assunto é a ABNT NBR 15415, que dispõe sobre métodos de medição e níveis de referência para a exposição a campos elétricos e magnéticos na frequência de 50 Hz e 60 Hz.