Trabalho de Eletromagnetismo

Prévia do material em texto

Um pouco sobre a história do átomo
Acima temos uma ilustração do amigo Tainan Rocha.
Na Grécia antiga, por volta de 600 A.C., Tales de Mileto fez algumas experiências com uma barra de âmbar (resina sólida fossilizada proveniente das árvores). Ele descobriu que, quando atritada com a pele de animal, a barra de âmbar adquire a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha.
A palavra eletricidade se origina do vocábulo elektron, nome grego do âmbar. Apesar das descobertas feitas pelos gregos, a eletricidade só teve seus conhecimentos sistematizados a partir da segunda metade do século XVIII.
Muitos corpos, como o âmbar, ao serem atritados adquirem a propriedade de exercer força de atração. Para explicar este fenômeno vamos estudar a estrutura da matéria.
Prótons, elétrons e nêutrons
A matéria é formada de pequenas partículas, os átomos e estes são formados por partículas elementares, sendo as principais os prótons, os elétrons e os nêutrons. Os prótons e nêutrons são formados por quarks.
No núcleo do átomo estão os prótons e os nêutrons, e girando em torno deste núcleo estão os elétrons. Um próton em presença de outro próton se repele, o mesmo ocorre com os elétrons, mas entre um próton e um elétron existe uma força de atração, como no exemplo do âmbar e da palha. Desta maneira, atribuímos ao próton e ao elétron uma propriedade física denominada carga elétrica.
Os prótons têm carga elétrica positiva, enquanto os elétrons carga elétrica negativa. Os nêutrons são desprovidos de carga elétrica, pois não apresentam efeitos elétricos. Num átomo, normalmente não existe predominância de cargas elétricas, ou seja, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Neste caso dizemos que o átomo é eletricamente neutro.
Niels Bohr foi um dos grandes cientistas que contribuíram para a evolução do nosso conhecimento sobre os átomos. Segundo Bohr os elétrons giram em órbitas específicas e de níveis energéticos bem definidos e, sempre que um elétron muda de órbita, um pacote de energia seria emitido ou absorvido. Esta teoria já envolve conhecimentos da mecânica quântica e estes pacotes de energia são chamados de quantum.
A Descoberta do Elétron
 
 
Partícula com carga negativa
A descoberta da existência do elétron não ocorreu de um dia para o outro e nem de uma única vez, foi fruto do trabalho de milhares de cientistas empenhados em pesquisas sobre a estrutura da matéria. Essa descoberta foi um acontecimento que revolucionou tanto a química quanto a física. Atualmente sabemos que o elétron é uma partícula que possui carga negativa e que ele pode ser encontrado nos átomos que constituem toda e qualquer substância, mas a descoberta dessa partícula é relativamente recente; ocorreu no final do século XIX e foi resultado dos trabalhos desenvolvidos pelo físico inglês J. J. Thomson, quando ele se interessou pela pesquisa da natureza e propriedades de certas radiações, as quais na época eram conhecidas com a denominação de raios catódicos.
No século XIX, inúmeros físicos cientistas desenvolveram experiências sobre a condução de eletricidade através dos gases. Tais experiências eram realizadas na maioria das vezes com tubos de vidro, nos quais eram aplicadas duas placas metálicas denominadas de ânodo e cátodo, uma em cada extremidade, sobre elas se aplicava altas voltagens. Quando a corrente elétrica passava pelo gás existente no tubo, ela era mostrada em um amperímetro ligado ao esquema experimental.
Durante a execução dos experimentos, os cientistas perceberam um fato inesperado: a corrente elétrica era indicada no amperímetro mesmo quando se alcançava alto nível de vácuo. Querendo descobrir a que se devia esse fenômeno, no ano de 1875, o físico e químico W. Crookes construiu um tubo curvo, produziu vácuo em seu interior e aplicou altas voltagens em suas extremidades, onde se localizava as placas metálicas. Ao fazer isso ele percebeu que uma determinada região do tubo apresentava uma luminescência esverdeada. Ele então suspeitou que essa luminescência fosse causada por algum tipo de radiação que o cátodo emitia. Essas radiações foram denominadas de raios catódicos, no entanto, Crookes não conseguiu determinar a natureza das mesmas.
Durante muitos anos não aconteceram novas descobertas sobre os raios catódicos, nem tão pouco havia sido descoberta a natureza desses raios. No ano de 1897 J. J. Thomson realizou novas experiências que o levaram a concluir que os raios catódicos eram formados por partículas que possuem carga negativa. Tempos mais tarde, Thomson provou que esses raios eram desviados mediante a aplicação de campo elétrico. Assim, essas partículas foram denominadas de elétrons. Após descobrir a natureza dos raios catódicos, Thomson procurou determinar algumas propriedades das partículas que constituem o raio como, por exemplo, o valor da carga e a massa destas partículas. Mas não foi possível obter experimentalmente o valor dessas grandezas, o que ele conseguiu foi medir a razão entre a carga e a massa do elétron.
Por Marco Aurélio da Silva
Equipe Brasil Escola
1. A EVOLUÇÃO DO MODELO ATÔMICO
Por volta de 400 anos a.C. filósofo grego Demócrito sugeriu que a matéria não é contínua, isto é, ela é feita de minúsculas partículas indivisíveis. Essas partículas foram chamadas de átomos (a palavra átomo significa, em grego, indivisível). Demócrito postulou que todas as variedades de matéria resultam da combinação de átomos de quatro elementos: terra, ar, fogo e água. Demócrito baseou seu modelo na intuição e na lógica. Nesta época existia a ideia de atomismo que foi a teoria cujas intuições mais se aproximaram das modernas concepções científicas sobre o modelo atômico.
Antes de Demócrito, porém, Parmênides de Eléia já havia proposto a teoria da unidade e imutabilidade do ser. Esta estava em constante mutação através dos postulados de Heráclito. Este postulava que não-ente (vácuo) e matéria (ente) desde a eternidade interagem entre si dando origem ao movimento. E que os átomos apresentam as propriedades de: forma; movimento; tamanho e impenetrabilidade e, por meio de choques entre si, dão origem a objetos.
Tales, apontado como um dos sete sábios da Grécia Antiga, considerava a água como sendo a origem de todas as coisas. Seus seguidores, embora discordassem quanto à “substância primordial” (que constituía a essência do universo), concordavam com ele no que dizia respeito à existência de um “princípio único" para essa natureza primordial. Entre os principais discípulos de Tales de Mileto merecem destaque: Anaxímenes que dizia ser o "ar" a substância primária; e Anaximandro, para quem os mundos eram infinitos em sua perpétua inter-relação.
Os filósofos, porém, adotaram o modelo atômico de Aristóteles, de que a matéria é contínua. Tal modelo foi seguido pelos pensadores e cientistas até o Renascimento.
1.1. O MODELO ATÔMICO DE DALTON
Em 1803, John Dalton, acreditando nas leis da conservação de massa e da composição definida, propôs uma teoria que explicava estas e outras generalizações químicas. De fato, Dalton ressuscitou o conceito grego da existência dos átomos e foi capaz de sustentar este conceito com evidências experimentais que ele e outros obtiveram. A teoria atômica de Dalton foi baseada no seguinte modelo:
1. Toda matéria é composta de partículas fundamentais, os átomos. 2. Os átomos são permanentes e indivisíveis, eles não podem ser criados nem destruídos. 3. Os elementos são caracterizados por seus átomos. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos em todos os aspectos. Átomos de diferentes elementos têm diferentes-propriedades. 4. As transformações químicas consistem em uma combinação, separação ou rearranjo de átomos. 5. Compostos químicos são formados de átomos de dois ou mais elementos em uma razão fixa.
O modelo de Dalton foi capaz de explicar satisfatoriamente dois entraves da época que eram a Lei da Conservação da Matéria, proposta por Lavoisier, e a Lei das Proporções Constantes, de Proust.Apesar das muitas diferenças em relação ao modelo atualmente aceito, a contribuição de Dalton para o entendimento químico foi de grande valor. Não somente foi capaz de fornecer respostas satisfatórias para alguns problemas químicos complexos, mas também forneceu estímulo ao mundo científico para começar a pensar seriamente sobre a existência dos átomos.
1.2. O MODELO ATÔMICO DE THOMSON
Desde 1850 já se faziam experimentos utilizando tubos de descarga de gás, conhecidos por tubos de Crookes, em homenagem a Willian Crookes que foi o primeiro a construir esse aparato.
Utilizando esses tubos em suas experiências, em 1887 o físico inglês J. J. Thomson mostrou que as partículas no raio catódico são carregadas negativamente. Provou a afirmação mostrando que o raio pode ser desviado se passar entre placas de metais carregadas opostamente em um tubo de Crookes. A direção do desvio (para a placa carregada positivamente) mostra que as partículas do raio catódico carregam uma carga elétrica negativa.
Como veremos à frente, um cientista alemão chamado E. Goldstein, utilizando um tubo de Crookes modificado, produziu um tipo diferente de raio (ao qual chamou de raio canal). Através de métodos semelhantes aos utilizados por Thomson para concluir que os raios catódicos eram compostos por partículas carregadas negativamente, comprovou que partículas carregadas positivamente compunham este raio.
Então, em 1898, Thomson sugeriu que um átomo poderia ser uma esfera carregada positivamente na qual alguns elétrons estão incrustados, e apontou que isto levaria a uma fácil remoção de elétrons dos átomos. Este modelo de átomo é conhecido por modelo do "pudim de ameixas". Mais tarde, Thomson postulou que os elétrons estavam arranjados em anéis e circundavam completamente em órbitas a esfera positiva.
1.3. O MODELO DE RUTHERFORD
Em resumo, o modelo de Rutherford representa o átomo consistindo em um pequeno núcleo rodeado por um grande volume no qual os elétrons estão distribuídos. O núcleo carrega toda a carga positiva e a maior parte da massa do átomo. Devido ao modelo atômico de Thomson não ser normalmente usado para interpretar os resultados dos experimentos de Rutherford, Geiger e Marsden, o modelo de Rutherford logo o substituiu. De fato, isto é a base para o conceito do átomo.
1.4. O MODELO ATÔMICO DE RUTHERFORD-BOHR
O cientista dinamarquês Niels Bohr aprimorou, em 1913, o modelo atômico de Rutherford, utilizando a teoria de Max Planck. Em 1990, Planck já havia admitido a hipótese de que a energia não seria emitida de modo continuo, mas em “pacotes”. A cada “pacote de energia” foi dado o nome de quantum.
Surgiram, assim, os chamados postulados de Bohr:
Os elétrons se movem ao redor do núcleo em um número limitado de órbitas bem definidas, que são denominadas órbitas estacionárias;
Movendo-se em uma órbita estacionária, o elétron não emite nem absorve energia;
Ao saltar de uma órbita estacionária para outra, o elétron emite ou absorve uma quantidade bem definida de energia, chamada quantum de energia.
Como visto, absorção ou liberação de energia no átomo implica em saltos dos elétrons entre as camadas. Quando um átomo recebe energia seus átomos tendem a saltar para órbitas mais afastadas do núcleo. Ao se moverem no sentido das órbitas mais internas, no entanto, liberam essa energia em forma de luz. Essa luz é característica a cada átomo, o que explica o espectro luminoso, em que cada átomo possui determinadas faixas e cores bem definidas.
1.5. MODELO DOS ORBITAIS ATÔMICOS
Baseado nas definições dos cientistas De Broglie, Werner Heisenberg e Erwin Schrodinger, neste modelo o elétron é uma partícula-onda que se desloca (ou vibra) no espaço, mas estará com maior probabilidade dentro de uma esfera (orbital) concentrada ao redor do núcleo. Devido a sua velocidade, o elétron fica tipo que “esparramado” dentro do orbital, semelhante a uma nuvem eletrônica.
2. A DESCOBERTA DO PRÓTON
Em 1886, o físico alemão E. Goldstein usou um tubo Crookes modificado para produzir um novo tipo de raio. O cátodo no tudo de Goldstein tinha uma fenda montada próximo ao meio do tubo. Goldstein observou um fluxo incandescente que parecia começar na fenda e mover-se em direção ao ânodo. Chamou este fluxo de um raio canal e, pela observação da direção de deflexão do raio canal em um campo elétrico e magnético, ele foi capaz de provar, que o raio consistia em partículas carregadas positivamente, os prótons.
A partir do exposto pode-se concluir que a evolução dos métodos experimentais conduziu às modelos atômicos cada vez mais próximos da realidade e, pelo mesmo motivo, mais confiáveis. Além disso, deve-se ressaltar o fato de que, independentemente da exatidão ou proximidade da realidade, cada modelo descrito (os principais) representam um passo importante no desenvolvimento da Química e mais especificamente na descrição da estrutura atômica. A evolução do modelo atômico não se iniciou pronta. Pelo contrário, é uma sucessão de experiências, análises e posteriores definições. Um processo contínuo que está em constante atualização na medida em que os recursos tecnológicos avançam e se tornam mais precisos.
REFERÊNCIAS: 1. RUSSELL, John B. Química Geral, volume 1. Makron Books, 1994.
2. VIANNA, Victória. A evolução dos modelos atômicos. Disponível em: <http://quimicacoma2108.blogspot.com/2010/03/modelos-atomicos_29.html>
Cesar Lattes, a descoberta do méson-π e a física de partículas
ENTREVISTA /
Alfredo Marques //
por Maria Borba ///
Em 1935, o físico japonês Hideki Yukawa, para tentar explicar a natureza da estabilidade do núcleo dos átomos – questão de fundamental importância para a compreensão da estrutura da matéria –, propôs uma teoria que previa a existência de uma partícula com massa de valor intermediário entre a do próton e do elétron (chamada méson), responsável pela força de atração entre prótons e nêutrons, a chamada força nuclear forte.
Inúmeros experimentos foram realizados em diferentes partes do mundo durante a década de 1930 para tentar encontrar esta partícula, mas nenhum resultado era isento de contradições.
Em 1947, em Bristol, na Inglaterra, o jovem físico brasileiro Cesar Lattes, integrando o grupo de Cecil Frank Powell e Giuseppe Occhialini, consegue observar estes mésons pela primeira vez em experiências feitas à margem dos procedimentos para aprimorar um novo método de registro fotográfico com emulsões nucleares, eliminando todas as contradições existentes até então.
Em 1949, Hideki Yukawa ganha o prêmio Nobel por sua previsão teórica da existência dos mesóns baseado em seus trabalhos teóricos sobre as forças nucleares. Neste mesmo ano, Cesar Lattes volta para o Brasil e funda o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas.
Em 1950, Cecil Frank Powell ganha o prêmio Nobel pelo conjunto de seus trabalhos sobre o método fotográfico para estudar os processos nucleares e pelos descobrimentos realizados com este método.
Por ter tido participação ativa em momentos tão relevantes, Cesar Lates (1924-2005) pode ser considerado um dos mais importantes físicos brasileiros, responsável pela modernização da física no Brasil enquanto atividade de ensino e pesquisa, fundamental para o desenvolvimento de um país.
Nesta entrevista, o físico Alfredo Marques, ex-diretor do CBPF, nos conta sobre o papel crucial do trabalho de Lattes na descoberta do méson-π, que havia sido previsto teoricamente em 1935 pelo físico japonês Hideki Yukawa.
- – - – -
Cosmos e Contexto – Como foi o trabalho da descoberta do méson-π e qual foi o papel do Cesar Lattes? Qual era o cenário da física antes da descoberta? Qual foi a importância da investigação dele?
Alfredo Marques – É preciso contar a história desde o começo. O trabalho dele, na verdade, teve significação excepcional por vários aspectos ao mesmo tempo.
Primeiro confirmou ideias que haviam sido lançadas no início da década de 1930 por um pesquisador japonês chamado Hideki Yukawa, que acabou ganhando o prêmio Nobel por isso. Elehavia previsto uma partícula com massa intermediária entre a massa do próton e a de um elétron, responsável pelas forças nucleares que mantêm os núcleos estáveis, isto é, pela atração nuclear entre nêutrons e prótons.
Esse trabalho ficou muito tempo sem confirmação experimental porque despertou uma discussão muito grande em torno da detecção de tal partícula. Havia um número muito grande de incompreensões na física sobre as partículas da radiação cósmica que estavam chegando na Terra. Alguns chegaram a insinuar que encontraram partículas cuja massa era próxima à da previsão de Yukawa, mas não conseguiram eliminar todas as contradições experimentais que as observações envolviam.
Lattes conheceu Giuseppe Occhialini (Figura 1) aqui no Brasil. Occhialini era alvo de perseguição política na Itália por suas posições frontalmente antifascistas e fatalmente terminaria preso. Occhialini era um homem muito espirituoso e conseguia farejar a novidade científica com certa facilidade, embora fosse pouco creditado por sua habilidade com matemática. Ele não sabia muita matemática, mas tinha uma intuição excepcional para saber o que fazer na busca de novos resultados.
Figura 1 – Giuseppe Occhialini
Occhialini veio para o Brasil, para São Paulo, pelas mãos de Gleb Wataghin, italiano como ele e chefe do departamento de Física da Universidade de São Paulo (USP), e começou a construir uma câmara para detectar partículas subatômicas (câmara de Wilson), com o Lattes e mais uns alunos. Em 1942, o Brasil entrou na II Guerra e Occhialini teve que deixar o departamento, indo para Bristol, na Inglaterra. E ele deixou o Lattes, com mais alguns alunos, terminando a câmara que havia começado.
O Lattes acabou a câmara (usando até mesmo recursos próprios). Tirou fotografias de chuveiros de elétrons com essa câmara e mandou para o Occhialini em Bristol, para mostrar que ela estava funcionando. Nesta época, Occhialini já estava de olho em outras perspectivas que estavam se abrindo com o advento das emulsões nucleares – tipo de detector com o qual ele não tinha a menor experiência. As emulsões nucleares nasceram da busca de aperfeiçoamentos nas emulsões fotográficas para torná-las sensíveis à radiação na faixa do infravermelho. Durante a II Guerra, por questões de segurança, os aviões tinham que fotografar os alvos à noite e, portanto, precisavam de emulsões fotográficas sensíveis ao infra-vermelho, porque com os apagões, não havia luz para fotografar. Então eles tinham que fotografar a chamada onda térmica, no comprimento de onda do infravermelho, e a fotografia comum não tinha condição de fazer isso. Com essa motivação, mexeram na físico-química das emulsões e criaram uma emulsão fotográfica com sensibilidade muito além das necessidades originalmente colocadas, capaz de registrar trajetórias de partículas ionizantes, como prótons e partículas alfa. Por essa razão essa versão hipersensível tomou o nome de emulsão nuclear. O chefe do grupo do Occhialini em Bristol, Cecil Frank Powell, tinha sido membro deste grupo e contava com Occhialini para desenvolver projetos usando as novas emulsões nucleares. Occhialini sabendo dos resultados do Lattes com a câmara de Wilson, pensou: “Vou chamar o Lattes e vamos ver o que a gente tira disso”.
Então, uma primeira parte do trabalho do Lattes, foi tornar utilizável este instrumento novo, desenvolvendo métodos para a análise dos registros de partículas ionizantes. Esses métodos foram desenvolvidos ao longo de um projeto para a detecção de nêutrons na radiação cósmica secundária.
A ida de Lattes para Bristol dependeu da capacidade de persuasão de Occhialini, que mostrando a Powell as fotos com a Câmara de Wilson que Lattes lhe enviara, disse: “Olha, esse cara aqui é muito bom. Olha aqui o que ele fez com a câmara que eu deixei lá inacabada”.
O Campo Magnético da Terra
A hipótese mais aceita diz que o campo magnético da Terra se origina das intensas correntes elétricas que circulam em seu interior.
 
Tweet
 
O campo magnético terrestre impede que diversas partículas de radiações cheguem à superfície da Terra
É sabido que o Sol é a estrela do nosso sistema solar. Sabemos também que ele emite milhões de partículas por segundo para todas as direções do espaço. Percebemos essas radiações eletromagnéticas, também chamadas de ventos solares, em forma de calor e luz.
A quantidade de radiação que chega até a Terra é menor por conta da proteção exercida pelo campo magnético terrestre. O campo magnético da Terra interage com as radiações eletromagnéticas fazendo com que elas sejam freadas e também atua desviando-as de sua trajetória inicial. Por esse motivo é que podemos dizer que a Terra se comporta como um ímã gigante.
O primeiro a afirmar que a Terra se comportava como um ímã gigante foi o cientista Willian Gilbert. Uma simples experiência pode comprovar esse comportamento da Terra. Tal experiência consistiu na colocação de um ímã suspenso livremente pelo seu centro de gravidade na superfície da Terra. Nesta experiência, repetida diversas vezes, verificou que o ímã sempre se orientava na direção norte-sul, com isso concluíram que realmente a Terra se comportava como um ímã.
Mas onde estão localizados os polos magnéticos norte e sul da Terra?
Como podemos observar na imagem acima, os polos magnéticos estão localizados nos extremos do eixo magnético e próximos aos polos geográficos, isto é, o polo sul magnético está próximo do norte geográfico e o polo norte magnético está próximo do sul geográfico. É importante lembrar que o eixo magnético não coincide com o eixo de rotação da Terra, sendo estes separados por aproximadamente 13º.
Ainda não temos uma explicação correta para a origem do campo magnético terrestre, mas a hipótese mais aceita diz que o campo magnético terrestre se origina das intensas correntes elétricas que circulam seu interior e não da existência de grande quantidade de ferro magnetizado também em seu interior.
Por Domiciano Marques
Graduado em Física
Campo Magnético da Terra
	
	
Por Glauber Luciano Kítor
 Tweetar Seguir @infoescola
O campo magnético da Terra é como o campo magnético de um gigantesco ímã em forma de barra, que atravessa desde o Pólo Sul até o Pólo Norte do planeta. Mas é importante lembrar que o Pólo Norte Magnético da Terra tem uma inclinação de 11,5° em relação ao Pólo Norte Geográfico. Ou seja, os pólos magnéticos não coincidem com os pólos geográficos. Lembremos também que o Pólo Norte Geográfico também é inclinado em relação à linha perpendicular ao plano da órbita da Terra.
“... Note que o pólo norte magnético é, na realidade, um pólo sul do dipolo que representa o campo da Terra. O eixo magnético está aproximadamente na metade entre o eixo de rotação de rotação e a normal ao plano da órbita da Terra...” HALLIDAY (2004) pg.268.
Pólos magnéticos e geográficos da Terra. Note como há uma leve inclinação dos pólos magnéticos em relação aos pólos geográficos. Ilustração: NASA [adaptado]
É interessante salientar que os Pólos Norte e Sul determinados geograficamente são na verdade os pontos onde emergem as extremidades do eixo em torno do qual a Terra gira. O Pólo Norte Magnético considerado é o ponto de onde emergem as linhas de campo magnético mostradas na figura. E o Pólo Sul Magnético é na verdade o ponto para onde convergem as linhas de campo magnético que emergem do Pólo Sul Geográfico. No caso de um ímã, o norte é atraído pelo sul. Ou seja, o norte do ímã apontará para o pólo sul do campo magnético do interior da Terra.
Esse campo magnético do planeta é percebido e utilizado por diversas espécies de animais, como aves migratórias.
Referências bibliográficas:
HALLIDAY, David,  Resnik Robert,  Krane, Denneth S.  Física 3, volume 2,  5 Ed. Rio de Janeiro:  LTC,  2004.  384 p.
_1477201344.unknown
_1477204954.unknown