O Magnetismo
Bipolaridade indissociável

O magnetismo é um dos fenómenos mais notáveis da Natureza. Ela providenciou-nos com abundante material magnético sob a forma de pedra-íman, uma variedade de óxido de ferro conhecida por magnetite, e tem aguardado pacientemente que descubramos as pistas deixadas. Há milhares de anos que os poderes magnéticos e magnetizadores da pedra-íman são conhecidos; mas só no final do século XVI o físico londrino William Gilbert (1544-1603), com a publicação do seu livro “De magnete”, denunciou muitas superstições que envolviam este fenómeno e realizou experiências que marcam o início do estudo sistemático das propriedades dos magnetes e do magnetismo terrestre. Ainda assim, só após mais de três séculos de intensa actividade científica, sobretudo experimental, depois de desbravadas outras importantes pistas, desde a da electricidade até à da constituição do átomo, foi possível ter uma visão coerente dos fenómenos magnéticos.
Muitas pessoas estão familiarizadas com as propriedades gerais dos ímans mas desconhecem qual a fonte do magnetismo na Natureza e a explicação de alguns fenómenos curiosos associados. É o caso da formação da pedra-íman, dos diferentes comportamentos magnéticos da matéria, do magnetismo terrestre, da inversão da polaridade magnética da Terra, da existência de manchas magnéticas na superfície do Sol e, até, das manifestações do magnetismo em outros planetas do Sistema Solar e para além dele.

Ponto de partida

Como sabemos, qualquer íman tem sempre dois pólos, geralmente conhecidos por pólo Norte e pólo Sul 1. Quase todos tivemos já a possibilidade de brincar com dois ímans e de verificar que quando aproximamos dois pólos diferentes eles se atraem e se “colam”, sendo preciso alguma força para os separar; e que, pelo contrário, não conseguimos juntar dois pólos iguais pois eles repelem-se  “vigorosamente”. Um aspecto muito curioso é que se dividirmos o íman ao meio ficamos não com os dois pólos magnéticos separados mas antes com dois ímanes e, se voltarmos a dividir esses dois, ficamos com quatro, e assim por diante até dimensões ínfimas. Este fenómeno é intrigante. Na verdade, quando lidamos com cargas eléctricas também reconhecemos que existem cargas positivas e cargas negativas e que cargas diferentes se atraem e cargas iguais se repelem. No caso da electricidade, porém, é possível separar e isolar as diferentes cargas, obtendo, de um lado, só cargas eléctricas positivas e, de outro, só cargas eléctricas negativas. Porque não podemos fazer o mesmo com os pólos magnéticos? Que qualidade intrínseca tem o magnetismo que não nos permite dizer que um determinado pedaço de matéria é só um pólo norte ou só um pólo sul? Porque é o magnetismo tão indissociavelmente bipolar?

Manifestações visíveis

Comecemos apenas por uma afirmação geral: o magnetismo é a manifestação de uma força de atracção-repulsão. Essa força manifesta-se no espaço em volta do íman e pode ser detectada por diferentes tipos de interacção. Desde logo, pela atracção ou repulsão entre os pólos de diferentes materiais magnéticos ou magnetizados. Designamos por magnetizados aqueles materiais que passam a ser magnéticos depois de terem estado sob a influência de um íman e que guardam as propriedades magnéticas quando já estão fora da sua zona de acção. Historicamente, a força magnética entre ímans foi a interacção detectada mais cedo e à qual se dedicaram Gilbert e outros antes e depois dele.
A segunda manifestação da força magnética só foi devidamente explicitada muito depois de Gilbert, por Hans Christian Oersted (1777-1851). 2 Numa experiência em que utilizava um fio rectilíneo percorrido por uma corrente eléctrica e uma bússola, Oersted afirmou, ao contrário do que então se suponha, que os fenómenos da electricidade e do magnetismo deveriam estar relacionados pois, ao circular no fio, a corrente eléctrica provocava uma deflexão na agulha da bússola. André Marie Ampère (1775-1836), foi muito mais longe ao propor que tal acontecia porque a própria corrente eléctrica gerava magnetismo. À pergunta “o que é o magnetismo?” Ampère respondia: “é a força produzida pela electricidade em movimento!”. De facto, ele mostrou que dois fios percorridos por correntes eléctricas que fluíssem no mesmo sentido se atraíam entre si e que, pelo contrário, se repeliam se as correntes tivessem sentidos contrários. Com base na sua interpretação da força magnética, inventou um dispositivo para medir a corrente eléctrica, o galvanómetro. Tal como uma pedra-íman conseguia magnetizar uma barra de ferro (veremos adiante porquê), ele mostrou que o mesmo resultado era conseguido colocando a barra de ferro sob a acção da força magnética criada por uma corrente  eléctrica num solenóide (fig. 1). Apesar de não saber justificar a existência dos dois pólos da pedra-íman, ele explicava os da barra magnetizada dizendo: “Não há nada a mais num pólo do magnete do que no outro; a única diferença entre ambos é que um fica à direita e o outro à esquerda [do sentido] da corrente eléctrica que lhe conferiu as propriedades magnéticas” 3. Embora ainda não fosse possível uma compreensão cabal do magnetismo, sobretudo por falta de conhecimento sobre a constituição atómica da matéria, abria-se claramente o caminho da unificação das forças eléctrica e magnética. Despontava no horizonte a era do electromagnetismo. Faltava apenas desbravar um último aspecto: mostrar que também o magnetismo podia gerar corrente eléctrica.

Passos de gigante

Por aquela altura estava firmemente estabelecida a noção de que a electricidade envolvia forças centrais emanando de e para os corpos, e que essas forças actuavam segundo linhas rectas até atingirem outros objectos (fig. 2). Considerava-se que esta “acção à distância” ocorria instantaneamente, o que se traduzia no facto de as equações matemáticas que descreviam as forças eléctricas não incluírem o tempo como uma variável mas terem apenas em conta a massa, a carga e a distância entre os corpos envolvidos na interacção 4. Michael Faraday (1791-1867) começou por retomar uma proposta de Oersted, até aí sem grande aceitação por parte da comunidade científica, para demonstrar de forma irrefutável que a força magnética que emanava de um fio rectilíneo percorrido pela corrente eléctrica era circular e não rectilínea, como acontecia com a electricidade. Aliás, as linhas de acção da força magnética podem ser visualizadas com uma pequena experiência que muitos teremos já feito no liceu, usando um magnete e limalha de ferro (fig. 3). Faraday acabou por criar um motor eléctrico pois conseguiu efeitos mecânicos ao fazer com que a alteração na corrente eléctrica provocasse a rotação de um magnete. Depois, durante 7 anos, concentrou-se na questão complementar àquela que ocupou Oersted e Ampère: poderia o magnetismo gerar uma corrente eléctrica? Os resultados foram surpreendentes. Ele descobriu que um magnete estático não provocava o aparecimento de qualquer corrente eléctrica num fio condutor mas que, pelo contrário, se a força magnética variasse (se o íman se movimentasse, por exemplo), aparecia uma corrente eléctrica no condutor. Este fenómeno ficou conhecido por indução electromagnética e com ele se inaugurou o estudo dos efeitos  transitórios, dependentes do tempo, por oposição a estacionários, sempre com o mesmo valor no tempo. O tempo chegava agora às luzes da ribalta. A interacção não era instantânea 5. Acontecia ao fim de certo intervalo de tempo e, portanto, propagava-se a uma dada velocidade, embora ainda desconhecida. Faraday introduziu a importante noção de campo. Não era necessário termos em conta o funcionamento da fonte magnética, bastava trabalharmos com o campo gerado para podermos tratar os seus efeitos. James Maxwell (1831-1879) haveria de traduzir matematicamente as conclusões de Faraday nas conhecidas equações de Maxwell, utilizando a velocidade da luz como limite superior da velocidade de propagação. Faraday concluiu ainda que se o íman se movesse constante e uniformemente geraria uma corrente eléctrica estacionária. Estava inventado o dínamo ou  gerador eléctrico. Geradores e motores eléctricos são as fontes de potência da nossa moderna sociedade industrializada. E o princípio de funcionamento do dínamo virá também a estar na base do modelo que pretende explicar o complexo magnetismo terrestre e outras manifestações magnéticas no Sistema Solar.

A fonte do magnetismo
da matéria

Como sabemos, toda a matéria é composta por átomos. Estes são constituídos por um núcleo com protões (partículas eléctricas carregadas positivamente) e neutrões (partículas sem carga eléctrica 6); e fora do núcleo ainda existem os electrões, partículas de carga eléctrica negativa em movimento permanente à sua volta. Também sabemos que todas as partículas possuem uma outra propriedade a que se chama spin e que, para simplificar, é costume idealizar-se como um movimento de rotação sobre si mesmo. Ora, depois das ligações descobertas entre magnetismo e electricidade em movimento, não é difícil adivinhar que, sendo os electrões cargas eléctricas em movimento, a força magnética exibida pelos ímans esteja associada a estas microcorrentes. A intensidade do campo magnético criado por essas microcorrentes é conhecida por momento magnético; a entidade que o gera é designada por dipolo magnético. Percebemos agora porque não é possível separar os pólos de um dipolo magnético. Na verdade, Ampère tinha muita razão! Nada distingue um pólo do outro, e só o sentido do movimento da carga (ou sentido da corrente eléctrica) determina qual vai ser o pólo Norte e qual o pólo Sul, como se pode ver na figura 4. Qualquer carga em movimento, seja positiva ou negativa, corresponde a um dipolo magnético. Assim, em rigor, os protões do núcleo também geram momento magnético. No entanto, como a força magnética depende do inverso da massa da partícula, sendo o protão cerca de 1000 vezes mais pesado que o electrão, o momento magnético associado ao protão é 1000 vezes mais fraco. A fonte do magnetismo da matéria é assim devida, em muito boa aproximação, ao magnetismo gerado pelos electrões em movimento.
Porque não somos magnéticos

Como toda a matéria é formada por átomos ou iões e todos esses agregados possuem electrões em movimento, cada um deles com um momento magnético associado, seria de esperar que cada átomo ou ião fosse um micro-íman e que toda a matéria fosse magnética. Ora, sabemos que não é assim. O que se passa, então?
Sabemos hoje que os electrões num átomo se distribuem segundo certas regras por diferentes níveis de energia, tal como os espectadores se distribuem por filas de diferentes alturas numa tenda de circo, em volta do palco central. Simplificando, essas regras dizem que os electrões devem preencher primeiro os lugares de mais baixa energia e que devem distribuir-se de modo a que os seus movimentos se emparelhem dois a dois: se um roda para um lado, o seguinte deve rodar para o outro, se um “spina” para seu lado, o outro deve “spinar” para o outro! Uma consequência importantíssima desta organização é que cada par de electrões vai gerar correntes de sentido contrário que se vão cancelar entre si. Podemos assim concluir que todos os átomos que têm um número par de electrões e que podem seguir as regras de associação que muito sucintamente expusemos, não serão micro-ímanes porque todas as micro-correntes internas se cancelarão entre si. Materiais com átomos ou iões deste tipo na sua constituição dizem-se diamagnéticos. Contudo, todos aqueles que tiverem um número ímpar de electrões ou que, por razões de ordem energética na sua associação para constituir os sistemas materiais, não possam dispor os electrões de modo a que todos eles se emparelhem entre si, apresentarão micro-correntes que não serão compensadas e, portanto, serão micro-ímanes. Os materiais formados por estes dipolos magnéticos têm fortes hipóteses de ser macroscopicamente magnéticos mas para tal é ainda necessário que se verifique uma outra condição.

Materiais
MACROSCOPICAMENTE
magnéticos

De facto, embora muitos sistemas tenham átomos ou iões que constituem dipolos magnéticos, só apresentam as características magnéticas que estamos habituados a ver na pedra-íman aqueles materiais cujos ímanes atómicos se consigam perceber mutuamente, ou seja, quando os dipolos magnéticos interagem entre si, adquirindo todos (ou quase todos 7) a mesma orientação. Para tal é necessário que não haja demasiada “agitação” térmica. Pelo facto de existirem a uma dada temperatura, todos os materiais possuem uma correspondente energia térmica, geralmente traduzida numa permanente vibração em torno das suas posições médias de equilíbrio no material. Como se compreende, esta energia vibracional das partículas faz com que os dipolos mudem constantemente de orientação dificultando, portanto, o esforço de alinhamento dos seus pólos Norte e Sul nas mesmas direcções realizado pela interacção magnética entre eles.
Verifica-se, porém, que, em alguns deles, caso da pedra-íman, a intensidade dos dipolos é tão forte que mesmo a temperaturas bastante elevadas eles são magnéticos. Em outros casos, é necessário descer a temperatura abaixo de determinado valor (muitas vezes muito abaixo de zero graus Celsius), para se deixar de mascarar a presença dos micro-ímanes com a agitação térmico e tornar o comportamento magnético espontâneo abaixo dessa temperatura. Esses dois tipos de material, de que acabámos de falar, exibem um magnetismo forte, podendo ser do tipo ferromagnético (momentos alinhados paralelamente uns aos outros), antiferromagnético (momentos alinhados antiparalelamente uns aos outros) ou podendo ainda apresentar outras estruturas magnéticas, algumas verdadeiramente complexas. Há ainda um outro tipo de material que, embora contenha dipolos atómicos, mesmo que baixemos muitíssimo a temperatura, a sua interacção nunca é mais forte do que a agitação térmica e, portanto, não se manifestam macroscopicamente como magnéticos. São chamados materiais paramagnéticos.
Pomos agora outra questão: com esta diversidade de comportamento magnético, como é a matéria afectada pela presença de campos magnéticos?

A influência de campos
magnéticos

Nos materiais diamagnéticos - aqueles cujos átomos ou iões não possuem momento dipolar atómico -, a acção de um campo magnético externo provoca uma alteração das correntes electrónicas e essa alteração faz aparecer um pequeno momento magnético de polaridade contrária à do campo magnético aplicado, acabando por repelir as suas linhas de força. Quando a aplicação do campo cessa, o material deixa de possuir esse momento provisório. Muitos elementos da tabela periódica são diamagnéticos e é essa também a condição dos corpos físicos dos seres vivos.
Os materiais paramagnéticos, que possuem momentos magnéticos atómicos que não interagem entre si, são fracamente atraídos por campos magnéticos externos e tornam-se magnéticos apenas enquanto dura neles a acção desse campo. Alguns exemplos da tabela periódica são o magnésio, o molibdénio, o lítio e o tântalo.
Os materiais fortemente magnéticos, que exibem magnetização espontânea abaixo de certa temperatura, são poderosamente atraídos por campos magnéticos e as suas propriedades são, em geral,  intensificadas com a aplicação do campo. Estes materiais exibem ainda um fenómeno curioso. No seu estado natural (antes de serem sujeitos à acção de campos magnéticos; esqueçamos, por agora, o campo magnético terrestre), não aparentam ter propriedades magnéticas. Isto acontece porque os momentos atómicos destes materiais estão divididos em domínios magnéticos (fig. 5) que se formam espontaneamente, por razões energéticas, quando o material arrefece e solidifica. Em cada domínio, um grande número de momentos atómicos (1012 a 1015) estão alinhados paralelamente entre si; porém, a orientação entre domínios é feita de tal modo que a soma da magnetização total é nula e o material não se manifesta como macroscopicamente magnético. É por isso que, quando compramos um pedaço de ferro, não estamos a comprar um íman; ele está no estado natural, desmagnetizado porque organizado em domínios, embora dentro de cada domínio exista magnetização espontânea a todas as temperaturas abaixo de aproximadamente 760 graus Celsius. Só quando se lhe aplica uma força magnética forte, os momentos dentro de cada domínio são orientados na direcção do campo aplicado. O material torna-se magnético quando alguns ou todos os domínios magnéticos ficam alinhados. Ao retirar-se o campo ou a corrente eléctrica aplicada, o material guarda as suas características fortemente magnéticas. O ferro, o níquel e o cobalto são exemplos deste tipo de materiais.
A compreensão do magnetismo em termos microscópicos, juntamente com a possibilidade de manipulação da matéria ao nível atómico e molecular, permitiu fabricar novos compostos com propriedades magnéticas muito variadas e adequadas a aplicações tecnológicas importantíssimas. Basta lembrarmo-nos das memórias magnéticas usadas para registo de informação em discos rígidos de computadores, fitas magnéticas, cartões magnéticos, etc..

De volta à história

A evolução da Física mostra-nos que a compreensão da natureza dos fenómenos da electricidade e do magnetismo se sucederam a par e passo e conduziram a verdadeiras revoluções ao nível do conhecimento e das aplicações tecnológicas. Entretanto, sem ímanes naturais que nos estimulassem a investigação, onde estaríamos ainda? Até onde conseguiríamos avançar? Na verdade, tudo começou porque a Natureza nos deixou essa pista da pedra-íman, disfarçada em estratos de rocha presentes em algumas minas de ferro. Como se formaram tais estratos? Porque não é magnético todo o ferro que neles existe? Depois de anos de debate, a resposta, recentemente encontrada, é extraordinária. A pedra-íman é produzida por bactérias! De acordo com Derek Lovley e seus colegas 8 do Geological Survey de Reston, nos Estados Unidos, uma determinada bactéria conhecida por GS-15, capaz de sobreviver em ambientes onde não existe oxigénio (bactéria anaeróbica), precisa de ferro para o seu metabolismo e transforma o óxido de ferro comum (a forma usual existente no minério de ferro) em magnetite (as partículas de pedra-íman). Durante longos períodos de tempo, na época Pré-Câmbrica, há milhares de milhões de  anos atrás, formaram-se camadas de magnetite nos depósitos de ferro. Recentemente, a equipa de Lovly encontrou as mesmas bactérias vivendo a profundidades de cerca de 60 metros abaixo da superfície terrestre, supondo-se que a estirpe destes microorganismos pode datar de uma era ainda anterior ao início do desenvolvimento da fotossíntese. Também se encontraram depósitos de magnetite nos oceanos, com idades que vão desde o Eoceno, há cerca de 55 milhões de anos atrás, até ao Quaternário (há dois milhões de anos atrás). Também estas camadas foram criadas por bactérias 9.
O que parece tão incrível é que a Natureza nos tenha presenteado com os estímulos necessários para nos atrair à exploração dos segredos íntimos do Universo físico. Nós somos apenas uma parte da expressão de Vida na Terra e não é surpreendente que tenhamos desbravado as pistas da electricidade e do magnetismo graças à actividade multimilenar das bactérias GS-15. As nossas explorações da Natureza são guiadas pelo que atrai os nossos sentidos. Há quem acredite que é a sorte e o acaso que guiam os nossos passos na aventura do conhecimento. Talvez… talvez haja disso, também. Mas atrevemo-nos a lembrar as palavras de Louis Pasteur (1822-1895): “No que respeita à observação, o acaso só favorece as mentes preparadas”. 10

Liliana Ferreira
Licenciada em Física; Doutorada em Física da Radiação; Professora
no Departamento de Física da Univ. Coimbra; Investigadora na Fac. de Ciências da Universidade de Lisboa

Notas:
1 Estas designações vêm, como se sabe, do facto de uma das extremidades das agulhas magnéticas utilizadas nas bússolas apontar sempre para o pólo Norte terrestre e a outra para o pólo Sul. Na verdade, não há coincidência entre o Pólo Norte Terrestre e o Pólo Magnético. Eles estão afastados de cerca de 11,3º. Além disso, se o pólo Norte da agulha é atraído sensivelmente na direcção do pólo Norte terrestre é porque perto dele se situa o pólo Sul magnético, como se compreende pela lei da atracção entre pólos diferentes.
2 Para que tal acontecesse foram necessários quase dois séculos de riquíssimo labor experimental e, ainda que apenas mencionemos alguns nomes e um aspecto particular dos seus trabalhos, gostaríamos de destacar a investigação desenvolvida por Otto von Guericke (1602-1686), construtor do primeiro gerador electrostático; Peter van Musschenbrock (1692-1761), inventor do condensador (conhecido como garrafa de Leyden), um dispositivo que permite acumular energia eléctrica; Charles Augustus Coulomb (1736-1806), e a sua balança de torção, o 1º dispositivo para medir a força eléctrica entre cargas; Luigi Galvani (1737-1798), com as suas inúmeras experiências eléctricas em patas de rã e Alessandro Volta (1745-1827), inventor da célula voltaica, precursora das nossas baterias e pilhas eléctricas.
3 Ampère, Dictionary of Scientific Biography, Ed. Charles Scribner’s Sons, New York, 1970-1980.
4 Aliás, esta mesma consideração já se fazia para a força da gravidade.
5 Um dos modos, decerto fascinante, de olhar a evolução da física desde o século XVII até aos dias de hoje, é precisamente o de seguir a evolução dos conceitos de interacção à distância (instantânea), interacção através do campo de acção da força (propaga-se a uma dada velocidade, limitada pela velocidade da luz), interacção mediada pela troca de fotões (electrodinâmica quântica de Feynman; dispensa a noção de campo) e o actual fenómeno quântico da não-localidade, que regressa de certa forma à noção da interacção instantânea.
6 Não é inteiramente correcto mas é uma boa aproximação para os fins em estudo.
7 Há sempre defeitos e efeitos de superfície a considerar.
8 Derek R. Lovely, John F. Stolz, Gordon L. Nord, Jr. and Elizabeth J. P. Phillips, Nature 350 (1987) 252.
9 N. Petersen, T. von Dobenek and H. Vali, Nature 320 (1986) 611.
10 In “Serendipity: Accidental Discoveries in Science”, Royston M. Roberts, Ed. John Wiley & Sons, New York, 1989.

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