Os primeiros passos do eletromagnetismo rumo a Maxwell (PARTE I)

Antes de tudo, sinto que preciso dizer que a melhor palavra que poderia definir os feitos revolucionários de Maxwell é "unificação". Foi o primeiro a semear a possibilidade assustadora de unir conceitos físicos espalhados universo afora, começando pela junção de três deles, como será visto em um próximo texto.

Por essa razão, dividi esse pequeno relato em três partes: a primeira tratando do contexto que levou Maxwell ao topo da física teórica; a segunda especificando a unificação proposta por Maxwell substancialmente; e a terceira entendendo o porquê de Maxwell ser peça chave para um "projeto de unificação da física", se é que podemos chamar assim.

James Clerk Maxwell foi um dos primeiros físicos teóricos modernos da história, responsável inclusive pela descoberta dos anéis de Saturno, mas relegado por muito tempo a uma prateleira mediana em meio a nomes como Isaac Newton, Albert Einstein e Galileu.

O papel revolucionário de Maxwell só foi ser afincado definitivamente entre os grandes cerca de 33 anos depois com Heinrich Hertz. Mas antes de tudo, devemos entender como Maxwell caminhou arduamente ao posto mais elevado da física teórica de sua época.

INTRODUÇÃO

Foi na série Genius, ao retratar a vida de Albert Einstein, que a imprescindibilidade de um dos primeiros e mais brilhantes físicos teóricos da história, James Clerk Maxwell, se tornou ainda mais notória para quem não o conhecia. 

Para a relatividade de Einstein se ratificar seria necessário que ou Maxwell ou Newton possuíssem alguns "furos" em suas teorias já consolidadas.

De um lado a inquestionável lei da gravitação de Newton atrelada à noção de tempo absoluto; do outro, as ideias unificadoras de Maxwell que geraram o importante eletromagnetismo.

A idolatria ao pai da física clássica talvez ofuscasse o brilho de Maxwell, e o amigo de Einstein, o engenheiro suíço Michele Beso, interpretado por Seth Gabel, decretou que era o escocês que sairia perdendo, na cena em que Einstein estava com a indigesta dúvida entre Newton e Maxwell.

Em suma, em mais um de seus experimentos mentais, Einstein lidava com a análise da simultaneidade. A emissão de ondas eletromagnéticas (Perdoem-me pelo spoiler da quarta equação de Maxwell, que ficaria para a segunda parte) deveria sincronizar os relógios presentes na Suíça, emitindo tais ondas e transmitindo o sinal dos relógios.

Até aí tudo bem, mas o cientista alemão imaginou como seria transmitir essa mesma onda eletromagnética de Maxwell para um relógio se movendo velozmente. Seria possível haver uma sincronização? Não se o tempo fosse relativo, como mais tarde Einstein havia previsto.

Einstein chegara à conclusão de que a velocidade da luz é constante e insuperável por conta de Maxwell, que definiu o valor aproximado dessa mesma velocidade alguns anos atrás. Portanto, é a velocidade da luz que é absoluta, não o tempo, como imaginava Newton.

Ah, sem maiores spoilers, concluiu-se que não era Maxwell que ficou para atrás nessa história, e sim Newton. 

Me adiantando um pouco com toda essa confusão entre a relatividade e as validades das leis tradicionais, em suma, podemos dizer que a teoria do eletromagnetismo tem fortes bases na lei de Coulomb mais o princípio da relatividade.

Coulomb foi um dos primeiros a demonstrar matematicamente o funcionamento da teoria da eletricidade, e sua fórmula que define a força de interação entre cargas elétricas é quase que um espelho para entendermos, por exemplo, a 1º equação de Maxwell, abordada na segunda parte desse post.

Lei de Coulomb: F = força de interação entre cargas; Q,q = cargas elétricas; k = constante elétrica; d² = distância entre as cargas ao quadrado

Em síntese, a lei acima reproduz a elucidação da força elétrica entre cargas (que geram campos elétricos, obviamente); Já a 1º equação de Maxwell trata de explicar a relação entre carga elétrica e o campo elétrico gerado, como veremos.

Maxwell sabia da importância de Coulomb, assim como a de diversos outros estudiosos da área, e sua tarefa foi harmonizá-los de maneira a dar forma ao eletromagnetismo propriamente dito.

CONTEXTO PRÉVIO

É necessário compreender que centenas de anos de descobertas nos campos da eletricidade e magnetismo colaboraram diretamente para que Maxwell finalizasse a história do eletromagnetismo (parcialmente). 

Faraday, por exemplo, pavimentou boa parte do caminho, mas sem o apreço pela matemática e mais amor ao empirismo, coube a Maxwell formular as provas matemáticas que mudariam o rumo da física moderna.

Berzelius já havia descoberto a atração e repulsão de átomos de uma solução para polos negativos ou positivos, quando perpassados de uma corrente elétrica. Desse modo, os átomos eram eletrizados e possuíam eletricidade.

O cientista inglês William Gilbert escreveu em 1600 o livro "Sobre os ímãs, os corpos magnéticos e o grande imã terrestre", onde afirmava que a Terra era um gigantesco imã, o que explicaria o fato de que as hastes das bússolas sempre apontam para o norte, uma vez que estariam se alinhando com o norte magnético da Terra.

Tempos depois, Benjamin Franklin descobriu a natureza elétrica dos raios com o curioso experimento da garrafa de Leiden (uma outra hora abordarei o assunto). Estaria posto as mais altas induções de que tanto o magnetismo e a eletricidade são um algo a mais do que meros conceitos do mundo terreno. 

O NASCIMENTO DO ELETROMAGNETISMO

Agora é hora de unir os dois conceitos, e isso acontece com o físico Hans Christian Orsted e Michael Faraday.

Orsted manipulou correntes elétricas de uma haste metálica numa bússola, e notou que a corrente influenciava no comportamento da agulha magnetizada da bússola. Era a primeira confluência eletromagnética comprovada experimentalmente.

Faraday fez algo semelhante, mas ao contrário: o físico britânico colocou um fio enrolado em um anel de ferro, e outro fio também enrolado no mesmo anel de ferro, mas afastado do primeiro. A corrente elétrica gerado no primeiro fio "ligava" uma corrente elétrica no segundo fio. Não precisamos ser cientistas para entender a influência do magnetismo variando do anel de ferro "entre" os fios para o processo ocorrer.

A ideia condensada é simples: a variação de um campo magnético dá origem a um campo elétrico, no caso de Faraday (o campo magnético do anel de ferro, entre os fios carregados eletricamente, geravam tal feito); em Orsted, a passagem da corrente elétrica, que nada mais é do que a carga (que gera um campo elétrico) dividida pela variação de tempo, influencia no campo magnético.

Perceba que a variação de um campo é importante para se afetar o outro. Por isso não tratamos mais apenas da eletrostática, mas sim da eletrodinâmica. Queremos saber agora como as cargas e tanto os campos elétricos associados e os magnéticos gerados se movimentam conforme há tal confluência.

O caso oposto é quando o campo elétrico possui uma carga em repouso, ou quando o campo magnético é gerado por correntes estacionárias, podemos analisá-los separadamente como organismos independentes, não mais como eletromagnetismo.

Dito isso, as experiências continuaram sendo feitas. Faraday e Ampére descobriram mais uma razão da dinamicidade daquele processo: o campo magnético gerado por uma corrente é perpendicular a ela. Esse efeito só ocorre quando os campos estão dinâmicos, isto é, se movendo.

A partir daqui seria mais plausível clarificar os conceitos através das deduções matemáticas, que, embora pareçam difíceis à primeira vista, se tornam um tanto quanto lógicas quando as entendemos pelas vias certas. 

No próximo post, veremos como se dá as quatro equações de Maxwell, extremamente dependentes de muitos dos conceitos teóricos e práticos mostrados no desenvolvimento desse texto.