Michael Faraday

Michael Faraday, (nascido em 22 de setembro de 1791, Newington, Surrey, Inglaterra - morreu em 25 de agosto de 1867, Hampton Court, Surrey), físico e químico inglês cujos muitos experimentos contribuíram muito para o entendimento do eletromagnetismo.

Faraday, que se tornou um dos maiores cientistas do século 19, iniciou sua carreira como químico. Ele escreveu um manual de química prática que revela seu domínio dos aspectos técnicos de sua arte, descobriu uma série de novos compostos orgânicos, entre eles o benzeno, e foi o primeiro a liquefazer um gás "permanente" (ou seja, um que se acreditava ser incapaz de liquefação). Sua maior contribuição, no entanto, foi no campo da eletricidade e do magnetismo. Ele foi o primeiro a produzir uma corrente elétrica a partir de um campo magnético, inventou o primeiro motor elétrico e dínamo, demonstrou a relação entre eletricidade e ligação química, descobriu o efeito do magnetismo na luz e descobriu e denominou diamagnetismo, o comportamento peculiar de certas substâncias em campos magnéticos fortes. Ele forneceu o experimental, e uma boa parte do fundamento teórico, sobre o qual James Clerk Maxwell erigiu a teoria clássica do campo eletromagnético.

Vida pregressa

Michael Faraday nasceu na aldeia rural de Newington, Surrey, agora uma parte do sul de Londres. Seu pai era um ferreiro que havia migrado do norte da Inglaterra no início de 1791 para procurar trabalho. Sua mãe era uma mulher do campo de grande calma e sabedoria que apoiou seu filho emocionalmente através de uma infância difícil. Faraday era um dos quatro filhos, os quais tinham dificuldade em conseguir o suficiente para comer, pois o pai costumava estar doente e incapaz de trabalhar de forma constante. Faraday lembrou depois de ter recebido um pão que durou uma semana. A família pertencia a uma pequena seita cristã, chamada Sandemanianos, que fornecia sustento espiritual a Faraday durante toda a sua vida. Foi a influência mais importante sobre ele e afetou fortemente a maneira como ele abordou e interpretou a natureza.

Faraday recebeu apenas os rudimentos de uma educação, aprendendo a ler, escrever e cifrar em uma escola dominical da igreja. Em tenra idade, começou a ganhar dinheiro entregando jornais para um livreiro e encadernador, e aos 14 anos foi aprendiz do homem. Ao contrário dos outros aprendizes, Faraday aproveitou a oportunidade para ler alguns dos livros trazidos para a revinculação. O artigo sobre eletricidade da terceira edição da Encyclopædia Britannica fascinou-o particularmente. Usando garrafas velhas e madeira, ele fez um gerador eletrostático bruto e fez experimentos simples. Ele também construiu uma pilha de voltaicas fraca com a qual realizou experimentos em eletroquímica.

A grande oportunidade de Faraday veio quando lhe foi oferecido um ingresso para assistir a palestras sobre química por Sir Humphry Davy, na Royal Institution of Great Britain, em Londres. Faraday foi, sentou-se absorto com tudo isso, gravou as palestras em suas anotações e voltou a encadernar com a esperança aparentemente irrealizável de entrar no templo da ciência. Ele enviou uma cópia encadernada de suas anotações para Davy junto com uma carta pedindo emprego, mas não houve abertura. Davy não se esqueceu, no entanto, e, quando um de seus assistentes de laboratório foi dispensado por brigas, ofereceu emprego a Faraday. Faraday começou como assistente de laboratório de Davy e aprendeu química no cotovelo de um dos maiores praticantes do dia. Já foi dito, com alguma verdade, que Faraday foi a maior descoberta de Davy.

Quando Faraday se juntou a Davy em 1812, Davy estava no processo de revolucionar a química do dia. Antoine-Laurent Lavoisier, o francês geralmente creditado com a fundação da química moderna, efetuou seu rearranjo do conhecimento químico nas décadas de 1770 e 1780, insistindo em alguns princípios simples. Entre eles, o oxigênio era um elemento único, pois era o único defensor da combustão e também o elemento que estava na base de todos os ácidos. Davy, depois de ter descoberto sódio e potássio usando uma poderosa corrente de uma bateria galvânica para decompor óxidos desses elementos, voltou-se para a decomposição do ácido muriático (clorídrico), um dos ácidos mais fortes conhecidos. Os produtos da decomposição foram hidrogênio e um gás verde que suportava a combustão e que, quando combinado com a água, produzia um ácido. Davy concluiu que esse gás era um elemento, ao qual ele dava o nome de cloro, e que não havia oxigênio algum no ácido muriático. A acidez, portanto, não era o resultado da presença de um elemento de formação de ácido, mas de alguma outra condição. O que mais poderia ser essa condição senão a forma física da própria molécula de ácido? Davy sugeriu, então, que as propriedades químicas eram determinadas não apenas por elementos específicos, mas também pelas formas em que esses elementos eram dispostos em moléculas. Ao chegar a essa visão, ele foi influenciado por uma teoria atômica que também teria consequências importantes para o pensamento de Faraday. Essa teoria, proposta no século XVIII por Ruggero Giuseppe Boscovich, argumentava que os átomos eram pontos matemáticos cercados por campos alternados de forças atraentes e repulsivas. Um elemento verdadeiro compreendia um único ponto, e elementos químicos eram compostos de vários desses pontos, sobre os quais os campos de força resultantes poderiam ser bastante complicados. Moléculas, por sua vez, foram construídas a partir desses elementos, e as qualidades químicas de ambos os elementos e compostos foram os resultados dos padrões finais de força envolvendo grupos de átomos pontuais. Uma propriedade de tais átomos e moléculas deve ser especificamente notada: elas podem ser colocadas sob considerável tensão, ou tensão, antes que os “laços” que os mantêm juntos sejam quebrados. Essas cepas seriam fundamentais para as idéias de Faraday sobre eletricidade.

O segundo estágio de Faraday, sob Davy, chegou ao fim em 1820. Naquela época, ele aprendera química tão bem quanto qualquer pessoa viva. Ele também teve ampla oportunidade de praticar análises químicas e técnicas de laboratório até o ponto de completa maestria, e ele desenvolveu suas visões teóricas ao ponto de poder guiá-lo em suas pesquisas. Seguiu-se uma série de descobertas que surpreenderam o mundo científico.

Faraday alcançou seu primeiro reconhecimento como químico. Sua reputação como químico analítico levou-o a ser chamado como testemunha especializada em julgamentos legais e à construção de uma clientela cujos honorários ajudavam a apoiar a Royal Institution. Em 1820 ele produziu os primeiros compostos conhecidos de carbono e cloro, C2Cl6 e C2Cl4. Esses compostos foram produzidos substituindo o cloro por hidrogênio em “gás olefiante” (etileno), sendo as primeiras reações de substituição induzidas. (Tais reações mais tarde serviriam para desafiar a teoria dominante de combinação química proposta por Jöns Jacob Berzelius.) Em 1825, como resultado da pesquisa de gases iluminantes, Faraday isolou e descreveu o benzeno. Na década de 1820, ele também realizou investigações de ligas de aço, ajudando a estabelecer as bases para metalurgia científica e metalografia. Ao completar uma missão da Royal Society of London para melhorar a qualidade do vidro óptico para telescópios, ele produziu um vidro de índice de refração muito alto que o levou, em 1845, à descoberta do diamagnetismo. Em 1821 ele se casou com Sarah Barnard, estabeleceu-se permanentemente na Royal Institution e começou a série de pesquisas sobre eletricidade e magnetismo que revolucionariam a física.

Em 1820, Hans Christian Ørsted anunciou a descoberta de que o fluxo de uma corrente elétrica através de um fio produzia um campo magnético ao redor do fio. André-Marie Ampère mostrou que a força magnética aparentemente era circular, produzindo com efeito um cilindro de magnetismo ao redor do fio. Nenhuma força circular como essa jamais fora observada, e Faraday foi o primeiro a entender o que isso implicava. Se um pólo magnético pudesse ser isolado, ele deveria se mover constantemente em um círculo ao redor de um fio de transporte de corrente. A engenhosidade e a habilidade laboratorial de Faraday permitiram-lhe construir um aparato que confirmava essa conclusão. Este dispositivo, que transformou energia elétrica em energia mecânica, foi o primeiro motor elétrico.

Essa descoberta levou Faraday a contemplar a natureza da eletricidade. Ao contrário de seus contemporâneos, ele não estava convencido de que a eletricidade fosse um fluido material que fluía através de fios como a água através de um tubo. Em vez disso, ele pensou nisso como uma vibração ou força que foi de alguma forma transmitida como resultado de tensões criadas no condutor. Um de seus primeiros experimentos após sua descoberta da rotação eletromagnética foi passar um raio de luz polarizada através de uma solução na qual a decomposição eletroquímica estava ocorrendo para detectar as linhagens intermoleculares que ele achava que deviam ser produzidas pela passagem de uma corrente elétrica. Durante a década de 1820, ele continuou voltando a essa ideia, mas sempre sem resultado.

Na primavera de 1831, Faraday começou a trabalhar com Charles (mais tarde Sir Charles) Wheatstone na teoria do som, outro fenômeno vibracional. Ele ficou particularmente fascinado com os padrões (conhecidos como figuras de Chladni) formados em pó claro espalhados em placas de ferro quando essas placas foram lançadas em vibração por um arco de violino. Aqui foi demonstrada a capacidade de uma causa dinâmica para criar um efeito estático, algo que ele estava convencido de que acontecia em um fio de transporte de corrente. Ele ficou ainda mais impressionado com o fato de que tais padrões poderiam ser induzidos em um prato ao fazer uma reverência a outro próximo. Essa indução acústica é aparentemente o que está por trás de sua mais famosa experiência. Em 29 de agosto de 1831, Faraday enrolou um anel de ferro grosso de um lado com um fio isolado conectado a uma bateria. Ele então enrolou o lado oposto com fio conectado a um galvanômetro. O que ele esperava era que uma "onda" fosse produzida quando o circuito da bateria fosse fechado e que a onda aparecesse como uma deflexão do galvanômetro no segundo circuito. Fechou o circuito primário e, para deleite e satisfação, viu a agulha do galvanômetro pular. Uma corrente foi induzida na bobina secundária por uma no primário. Quando ele abriu o circuito, no entanto, ficou surpreso ao ver o galvanômetro saltar na direção oposta. De alguma forma, desligar a corrente também criou uma corrente induzida, igual e oposta à corrente original, no circuito secundário. Esse fenômeno levou Faraday a propor o que ele chamou de estado “eletrotônico” de partículas no fio, que ele considerava um estado de tensão. Uma corrente assim parecia ser o estabelecimento de tal estado de tensão ou o colapso de tal estado. Embora ele não pudesse encontrar evidências experimentais para o estado eletrotônico, ele nunca abandonou completamente o conceito, e moldou a maior parte de seu trabalho posterior.

No outono de 1831, Faraday tentou determinar como uma corrente induzida era produzida. Seu experimento original envolveu um poderoso eletroímã criado pelo enrolamento da bobina primária. Ele agora tentou criar uma corrente usando um imã permanente. Ele descobriu que quando um imã permanente era movido para dentro e para fora de uma bobina de fio, uma corrente era induzida na bobina. Os ímãs, ele sabia, estavam cercados por forças que podiam ser tornadas visíveis pelo simples expediente de espalhar limalhas de ferro em um cartão preso sobre elas. Faraday viu as "linhas de força" assim reveladas como linhas de tensão no meio, a saber, o ar, cercando o imã, e ele logo descobriu a lei determinando a produção de correntes elétricas por ímãs: a magnitude de uma corrente dependia do número. de linhas de força cortadas pelo condutor em unidade de tempo. Ele imediatamente percebeu que uma corrente contínua poderia ser produzida girando um disco de cobre entre os pólos de um imã poderoso e tirando o aro e o centro do disco. O exterior do disco cortaria mais linhas do que o interior, e assim haveria uma corrente contínua produzida no circuito que liga o aro ao centro. Este foi o primeiro dínamo. Era também o ancestral direto dos motores elétricos, pois bastava reverter a situação, alimentar uma corrente elétrica no disco, girá-lo.

Teoria da eletroquímica

Enquanto Faraday realizava esses experimentos e os apresentava ao mundo científico, surgiram dúvidas sobre a identidade das diferentes manifestações de eletricidade que haviam sido estudadas. O “fluido” elétrico que aparentemente foi liberado por enguias elétricas e outros peixes elétricos, produzidos por um gerador de eletricidade estática, o da bateria voltaica, e o do novo gerador eletromagnético é o mesmo? Ou foram fluidos diferentes seguindo leis diferentes? Faraday estava convencido de que não eram fluidos, a não ser formas da mesma força, mas reconhecia que essa identidade nunca fora satisfatoriamente demonstrada pelo experimento. Por essa razão, ele começou, em 1832, o que prometia ser uma tentativa tediosa de provar que todas as eletricidades tinham precisamente as mesmas propriedades e causavam precisamente os mesmos efeitos. O principal efeito foi a decomposição eletroquímica. A eletricidade voltaica e eletromagnética não apresentava problemas, mas a eletricidade estática o fazia. Quando Faraday aprofundou o problema, ele fez duas descobertas surpreendentes. Em primeiro lugar, a força elétrica, como se supunha há muito tempo, não atuava a distância sobre as moléculas químicas para dissociá-las. Foi a passagem da eletricidade através de um meio líquido condutor que fez com que as moléculas se dissociassem, mesmo quando a eletricidade apenas descarregava no ar e não passava para um “pólo” ou “centro de ação” em uma célula voltaica. Em segundo lugar, verificou-se que a quantidade de decomposição estava relacionada de uma maneira simples com a quantidade de eletricidade que passava pela solução. Essas descobertas levaram Faraday a uma nova teoria da eletroquímica. A força elétrica, argumentou ele, jogou as moléculas de uma solução em um estado de tensão (seu estado eletrotônico). Quando a força era forte o suficiente para distorcer os campos de forças que mantinham as moléculas juntas, de modo a permitir a interação desses campos com partículas vizinhas, a tensão era aliviada pela migração de partículas ao longo das linhas de tensão, as diferentes espécies de átomos. migrando em direções opostas. A quantidade de eletricidade que passou, então, estava claramente relacionada às afinidades químicas das substâncias em solução. Esses experimentos levaram diretamente às duas leis da eletroquímica de Faraday: (1) A quantidade de uma substância depositada em cada eletrodo de uma célula eletrolítica é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade passada através da célula. (2) As quantidades de diferentes elementos depositados por uma determinada quantidade de eletricidade estão na proporção de seus pesos equivalentes químicos.

O trabalho de Faraday sobre eletroquímica forneceu-lhe uma pista essencial para a investigação da indução elétrica estática. Uma vez que a quantidade de eletricidade passada através do meio condutor de uma célula eletrolítica determinou a quantidade de material depositado nos eletrodos, por que a quantidade de eletricidade induzida em um não condutor não dependeria do material do qual ela foi feita? Em resumo, por que todo material não deveria ter uma capacidade indutiva específica? Todo material faz e Faraday foi o descobridor desse fato.

Em 1839, Faraday foi capaz de trazer uma nova teoria geral da ação elétrica. A eletricidade, o que quer que fosse, causou a criação de tensões na matéria. Quando essas tensões foram rapidamente aliviadas (isto é, quando os corpos não precisaram de muita tensão antes de “retroceder”), o que ocorreu foi uma rápida repetição de um acúmulo cíclico, colapso e acúmulo de tensão que, como uma onda, foi transmitida. uma substância. Essas substâncias eram chamadas de condutores. Nos processos eletroquímicos, a taxa de acúmulo e quebra da deformação foi proporcional às afinidades químicas das substâncias envolvidas, mas novamente a corrente não era um fluxo de material, mas um padrão de onda de tensões e seu alívio. Os isoladores eram simplesmente materiais cujas partículas podiam levar uma quantidade extraordinária de tensão antes de se romperem. A carga eletrostática em um isolante isolado era simplesmente uma medida dessa tensão acumulada. Assim, toda a ação elétrica foi o resultado de esforços forçados nos corpos.

A pressão sobre Faraday de oito anos de trabalho experimental e teórico sustentado foi demais e, em 1839, sua saúde desmoronou. Nos seis anos seguintes, ele fez pouca ciência criativa. Somente em 1845 ele conseguiu captar o fio de suas pesquisas e ampliar suas visões teóricas.

Vida posterior

Desde o início de seu trabalho científico, Faraday acreditava no que ele chamava de unidade das forças da natureza. Com isso, ele quis dizer que todas as forças da natureza eram apenas manifestações de uma única força universal e deveriam, portanto, ser conversíveis uma na outra. Em 1846 ele tornou públicas algumas das especulações a que essa visão o levou. Um palestrante, programado para proferir um dos discursos das sextas-feiras à noite na Royal Institution, pelo qual Faraday incentivou a popularização da ciência, entrou em pânico no último minuto e saiu correndo, deixando Faraday com uma sala de palestras lotada e sem palestrante. No calor do momento, Faraday ofereceu “Thoughts on Ray Vibrations”. Especificamente referindo-se aos átomos pontuais e seus infinitos campos de força, ele sugeriu que as linhas de força elétrica e magnética associadas a esses átomos poderiam, de fato, servir como meio pelo qual as ondas de luz foram propagadas. Muitos anos depois, Maxwell deveria construir sua teoria do campo eletromagnético sobre essa especulação.

Quando Faraday retornou à pesquisa ativa em 1845, tratou novamente de um problema que o obcecara durante anos, o de seu hipotético estado eletrotônico. Ele ainda estava convencido de que deveria existir e que ele ainda não havia descoberto os meios para detectá-lo. Mais uma vez ele tentou encontrar sinais de tensão intermolecular em substâncias através das quais linhas elétricas de força passavam, mas novamente sem sucesso. Foi nessa época que um jovem escocês, William Thomson (mais tarde, lorde Kelvin), escreveu a Faraday que estudara os artigos de Faraday sobre eletricidade e magnetismo e que também ele estava convencido de que algum tipo de tensão deveria existir. Ele sugeriu que Faraday experimentasse linhas magnéticas de força, já que estas poderiam ser produzidas com forças muito maiores do que as eletrostáticas.

Faraday aceitou a sugestão, passou um feixe de luz polarizada no plano através do vidro óptico de alto índice de refração que ele havia desenvolvido na década de 1820, e então ligou um eletroímã para que suas linhas de força corressem paralelas ao raio de luz. Desta vez ele foi recompensado com sucesso. O plano de polarização foi girado, indicando uma tensão nas moléculas do vidro. Mas Faraday notou novamente um resultado inesperado. Quando ele mudou a direção do raio de luz, a rotação permaneceu na mesma direção, um fato que Faraday interpretou corretamente como significando que a tensão não estava nas moléculas do vidro, mas nas linhas magnéticas de força. O sentido de rotação do plano de polarização dependia apenas da polaridade das linhas de força; o copo serviu apenas para detectar o efeito.

Esta descoberta confirmou a fé de Faraday na unidade de forças, e ele mergulhou para frente, certo de que toda a matéria deve exibir alguma resposta a um campo magnético. Para sua surpresa, ele descobriu que isso era de fato, mas de uma maneira peculiar. Algumas substâncias, como ferro, níquel, cobalto e oxigênio, se alinhavam em um campo magnético de modo que os longos eixos de suas estruturas cristalinas ou moleculares eram paralelas às linhas de força; outros alinhados perpendicularmente às linhas de força. Substâncias da primeira classe moviam-se para campos magnéticos mais intensos; os do segundo moviam-se para regiões de menor força magnética. Faraday nomeou o primeiro grupo paramagnetico e o segundo diamagnetico. Depois de mais pesquisas, ele concluiu que paramagnetics eram corpos que conduziam linhas magnéticas de força melhor do que o meio circundante, enquanto os diamagnetics os conduziam menos bem. Em 1850, Faraday havia desenvolvido uma visão radicalmente nova do espaço e da força. O espaço não era "nada", a mera localização de corpos e forças, mas um meio capaz de suportar as forças elétricas e magnéticas. As energias do mundo não estavam localizadas nas partículas de onde essas forças surgiram, mas sim no espaço que as cercava. Assim nasceu a teoria do campo. Como Maxwell admitiu mais tarde, as idéias básicas para sua teoria matemática dos campos elétricos e magnéticos vieram de Faraday; Sua contribuição foi para matematizar essas idéias na forma de suas equações de campo clássicas.

Por volta de 1855, a mente de Faraday começou a falhar. Ele ainda fazia experimentos ocasionais, um dos quais envolvia a tentativa de encontrar um efeito elétrico de levantar um peso pesado, já que ele sentia que a gravidade, como o magnetismo, deveria ser convertível em alguma outra força, provavelmente elétrica. Dessa vez, ele ficou desapontado com suas expectativas e a Royal Society se recusou a publicar seus resultados negativos. Mais e mais, Faraday afundou em senilidade. A rainha Vitoria recompensou sua vida de devoção à ciência concedendo-lhe o uso de uma casa em Hampton Court e até mesmo lhe ofereceu a honra de um cavaleiro. Faraday aceitou com gratidão a cabana, mas rejeitou a cavalaria; ele iria, disse ele, permanecer o senhor Faraday até o fim. Ele morreu em 1867 e foi enterrado no Cemitério de Highgate, em Londres, deixando como seu monumento uma nova concepção da realidade física.

Fonte: Britannica


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Sobre Paulo Matheus

Esposo da Daniele, pai da Sophia, engenheiro, gremista e cristão. Seja bem vindo ao blog, comente e contribua!

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