Autoria: Cibelle Celestino Silva
- Instituto de Física de São Carlos USP
James
Clerk Maxwell nasceu em 13 de junho de 1831 em Edimburgo, Escócia. Logo após
seu nascimento, seus pais foram viver em uma pequena vila rural, no interior.
Quando tinha apenas oito anos de idade, sua mãe faleceu.
O plano inicial de seu pai era educá-lo em casa até os treze anos de idade e
depois enviá-lo para a Universidade de Edimburgo. Para isso contratou um jovem
tutor de dezesseis anos para ensiná-lo. No entanto, a experiência com o tutor
não obteve sucesso. Em 1841, sua família decidiu mudar-se para Edimburgo, onde
o jovem James freqüentou a Academia de Edimburgo. James não foi escolhido como
melhor aluno de sua turma; o escolhido foi Lewis Campbell, que se tornou seu
amigo próximo e, mais tarde, um de seus biógrafos...
ELTROMAGNETISMO (I):
Para um físico dos nossos dias, a teoria eletromagnética de Maxwell, como foi
publicada por ele no século XIX, é tão diferente do eletromagnetismo atual que
deixaria qualquer físico contemporâneo perplexo. Ela não pode ser traduzida
para termos utilizados atualmente pela física moderna, que se baseia na
existência do elétron e ausência do éter. Apesar dessas diferenças, o método
desenvolvido a partir dos trabalhos de Maxwell é muito eficiente para explicar
vários fenômenos eletromagnéticos e ópticos e, por isso mesmo, é usado até
hoje. Antes de apresentarmos os trabalhos de Maxwell sobre o assunto, vamos
entender um pouco mais do contexto da física na época na qual Maxwell
desenvolveu suas pesquisas.
A idéia de força à distância formava a base de uma das linhas de pesquisa sobre
os fenômenos eletromagnéticos adotadas na Europa na segunda metade do século
XIX. Essa linha, adotada principalmente fora da Grã Bretanha, buscava explicar
os fenômenos eletromagnéticos a partir de forças proporcionais ao inverso do
quadrado da distância entre os corpos. Além disso, considerava que estas forças
agiam à distância, isto é, sem a necessidade de um meio para intermediar as
interações.
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Outros pesquisadores – em especial Michael Faraday (1791-1867), William
Thomson e James Clerk Maxwell – passaram a adotar uma visão diferente. Ao invés
de considerar ação à distância, dedicaram-se a explicar os fenômenos
eletromagnéticos como um efeito que se propagaria através de um meio. Faraday
supôs que a eletricidade e o magnetismo agiriam através de “linhas de força”.
Essas linhas teriam uma existência real e seriam elas mesmas as responsáveis
pelos fenômenos eletromagnéticos. Na abordagem de Faraday, não havia
necessidade de matéria comum para explicar a existência das linhas de força.
No entanto, as linhas de força eram interpretadas como estruturas físicas,
mas estruturas do quê? A resposta a essa pergunta foi sendo desenvolvida ao
longo do século XIX e foi fortemente influenciada pela concepção que os
físicos tinham sobre a natureza da luz.
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Em meados do século XIX a teoria ondulatória da luz era amplamente aceita em
toda Grã-Bretanha. Da mesma forma que consideramos o som como uma onda que se
propaga por diversos materiais, nessa época os físicos consideravam que a luz
seria uma onda semelhante ao som. No entanto, o meio pelo qual a luz se
propagava era diferente – seria um meio elástico (capaz de sofrer
deformações sem perder suas propriedades originais) imperceptível aos nossos
sentidos que preencheria todo o espaço. Este meio era conhecido como “éter”.
Neste contexto, uma teoria de campo considera que as partes de um sistema não
são independentes, mas sim participantes de um todo, e consideram que a
interação se dá entre as partes vizinhas do sistema. Sendo assim, a interação
entre duas cargas elétricas, por exemplo, seria explicada por uma ação que se
propaga entre uma carga e outra através do éter existente entre elas. Uma carga
modifica o éter, essa modificação vai se espalhando, e ao atingir outra carga,
produz uma força. O próprio campo contém em si mesmo a capacidade de ação.
Os estudos de Maxwell sobre eletromagnetismo começaram em 1854 e terminaram um
pouco antes de sua morte, em 1879. Eles podem ser divididos em duas grandes
partes: antes de 1868, publicou os principais trabalhos sobre os fundamentos da
teoria eletromagnética; e, após 1868, publicou seu mais famoso livro, o Tratado
sobre Eletricidade e Magnetismo, e uma dezena de artigos sobre outros assuntos.
ELETROMAGNETISMO (II):
Para Maxwell, relacionar eletromagnetismo com uma teoria de éter era importante
pois lhe parecia fundamental a existência de modelos mecânicos adequados para
explicar os fenômenos físicos e que, ao mesmo tempo, permitissem formar uma
imagem mental destes fenômenos. Mas até que ponto essas imagens eram uma
representação literal da realidade?
Os principais trabalhos nos quais Maxwell desenvolveu suas idéias sobre o papel
do campo nos fenômenos eletromagnéticos e também suas concepções mecânicas do
éter são os artigos Sobre as linhas de força de Faraday publicado em 1856 e
Sobre as linhas físicas de força publicado em duas partes, em 1861e 1862.
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Ao ler o livro Pesquisas Experimentais sobre Eletricidade e Magnetismo de
Faraday, Maxwell ficou bastante impressionado com a idéia de linhas de força.
O artigo Sobre as linhas de força de Faraday foi uma tentativa de unir as
idéias de Faraday com as analogias matemáticas desenvolvidas por Thomson e
com isso obter uma teoria matemática para descrever as linhas de força. Seu
objetivo era produzir um método que “exigisse atenção e imaginação, mas não
cálculos.”
Este trabalho de 1856 foi eclipsado pelos trabalhos posteriores de Maxwell,
mas sua originalidade e importância são grandes. Além de interpretar e
desenvolver o trabalho de Faraday, ele contém o início de muitas idéias que
foram modificadas ou desenvolvidas posteriormente, entre elas a representação
utilizando expressões matemáticas integrais das equações de campo, o
tratamento da ação elétrica como análoga ao movimento de um fluido
incompressível, e a classificação (que não é mais utilizada) das funções
vetoriais em vetores do tipo força e vetores do tipo fluxo.
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O seu próximo artigo sobre o assunto foi sobre as linhas físicas de força,
publicado em duas partes, em 1861 e 1862. Seguindo Thomson, Maxwell
desenvolveu a idéia de que os fenômenos eletromagnéticos são provocados por
deslocamentos das partículas do éter, de modo que a rotação seria
proporcional à força magnética e o deslocamento relativo das partículas
vizinhas corresponderia em magnitude e direção à quantidade de corrente
elétrica passando pelo ponto correspondente do campo eletromagnético. A
figura ao lado mostra um vórtice ao redor de uma linha de campo que aponta na
direção Sul-Norte, neste modelo cada vórtice no éter representa o campo
magnético em um ponto do espaço.
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Neste mesmo trabalho, elaborou um novo modelo mecânico, mais sofisticado que
os anteriores, baseando-se nos vórtices para explicar o fenômeno da indução
eletromagnética (indução de corrente em um circuito devido à variação em
outro). Considerou o éter formado por vórtices rígidos em rotação, entre os
quais haveria pequenas esferas que transmitiriam o movimento de um vórtice
para outro.
Maxwell imaginou que os sistemas de vórtices agiriam como um mecanismo
conectado capaz de transferir movimento elétrico de um condutor para outro.
Imaginou um mecanismo semelhante a um conjunto de catracas capazes de
transferir a rotação para os vórtices vizinhos. Para que a transferência de
movimento de um vórtice a outro fosse possível, Maxwell supôs que o éter
seria rígido, com vórtices em rotação e teria uma camada de pequenas
partículas esféricas (“idle wheels”) capazes de rolar entre os vórtices e com
isso transmitir o movimento entre os vórtices vizinhos, como mostrado na
figura.
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Seguindo a tendência de usar analogias, Maxwell passou a relacionar as
grandezas mecânicas existentes no movimento destes vórtices com as grandezas
eletromagnéticas. Interpretou a força tangencial das partículas como análoga ao
campo elétrico; o momento angular do vórtice como análogo à intensidade do
campo magnético; e o movimento das partículas como análogo à corrente elétrica.
