Da geladeira ao espaço sideral

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 18 de maio de 2016

Os materiais utilizados em ímãs de geladeira geram campos magnéticos fracos, porém suficientes para prendê-los à superfície do refrigerador. (foto: adaptado de Sarnil Prasad / Flickr / CC BY 2.0)

Na geladeira, no porta-retratos ou no fecho de uma bolsa, quase todo mundo utiliza estes pequenos objetos em seu cotidiano: os ímãs ou magnetos são materiais capazes de gerar campo magnético e de interagir com outros materiais magnéticos, além de cargas elétricas em movimento. Os pequenos ímãs que usamos para colar recados nas geladeiras ou aqueles com telefones e propagandas de deliveries são feitos de uma mistura de materiais plásticos (polímeros) e óxidos de ferro (ferritas). Eles geram pequenos campos que magnetizam o metal da geladeira (normalmente uma liga de aço), fazendo com que as partes se atraiam – com essa atração o ímã “gruda” na porta do refrigerador.

Mas existem outros ímãs muito mais poderosos, digamos assim, e que geram altos campos magnéticos. A unidade de campo magnético é conhecida como Tesla (T), em homenagem ao engenheiro sérvio Nikolas Tesla, que inventou vários equipamentos a partir da utilização de campos magnéticos. A unidade Tesla tem um valor muito alto, e o campo do ímã que fixa os avisos na geladeira tem tipicamente 0,01 T. Ímãs mais intensos, como os utilizados em cabeças leitoras dos discos rígidos de computadores, têm intensidade na ordem de 0,1 T. Já as máquinas que fazem imagens por ressonância magnética, utilizadas para diagnóstico médico, geram campos na ordem de 2 T – nelas, no entanto, o campo magnético não é gerado por ímãs, e sim por bobinas supercondutoras, materiais que conseguem suportar a passagem de um alta corrente elétrica sem dissipar energia. No meu laboratório de pesquisa, há bobinas supercondutoras para até 9 T e, comercialmente, é possível comprar equipamentos capazes de gerar campos de até 22 T.

A geração de campos magnéticos por correntes elétricas começou a ser observada no começo do século 19, quando o francês André Ampère e o holandês Christian Oersted, de maneira independente, observaram que a agulha de uma bússola era desviada quando se aproximava de um fio pelo qual passava uma corrente elétrica, indicando que haveria alguma conexão entre eletricidade e magnetismo, que até então eram tratados como fenômenos físicos independentes. Alguns anos mais tarde, o físico e químico inglês Michel Faraday descobriu que era possível criar correntes elétricas a partir do movimento de ímãs, o que levou ao desenvolvimento de quase toda a tecnologia que temos hoje para gerar eletricidade. Esses avanços, alguns anos mais tarde, foram consolidados pelo físico escocês James Clerck Maxwell, que mostrou que a própria luz é uma manifestação de campos elétricos e magnéticos.

Magnetismo no espaço

Além de poderem ser observados em pequenos objetos e máquinas construídas pelo homem, os campos magnéticos também estão presentes em escala astronômica. As estrelas, como o Sol, produzem intensos campos, criando ao seu redor o que se chama de magnetosfera.

Representação de uma magnetar

Nesses corpos celestes, os campos magnéticos são produzidos devido ao movimento da matéria estelar que se encontra em altíssimas temperaturas, fazendo com que elementos como hidrogênio e hélio estejam no quarto estado da matéria, conhecido como plasma. Nesse estágio, praticamente todos os elétrons são arrancados dos átomos, fazendo com que o seu movimento crie intensas correntes – o que produz altos campos na superfície estelar. No caso do Sol, são esses campos magnéticos os responsáveis pelo aparecimento das manchas solares, regiões onde ocorre uma redução de temperatura e pressão das massas gasosas do Sol, que podem atingir campos na ordem de 1 T.

Mas existem objetos estelares capazes de produzir campos magnéticos absurdamente altos, como o que ocorre nos pulsares – restos mortais de estrelas gigantes, constituídos apenas por nêutrons. São campos magnéticos na ordem de 100 milhões de Tesla!

Perto deles, o campo magnético produzido pela Terra é quase nada: sua intensidade está na ordem de 0,0001 T, bem menor do que a do ímã de geladeira. Mesmo assim, o campo magnético terrestre é de fundamental importância para o desenvolvimento da vida por aqui. O fato de o planeta possuir um campo magnético impede que partículas com alta energia, vindas do espaço interestelar ou do próprio Sol, atinjam a superfície terrestre, o que poderia ser prejudicial a diversas formas de vida, inclusive a nossa.

Além disso, saiba o leitor, o campo magnético de nosso planeta tem muitas utilidades – ele é suficiente, por exemplo, para orientar a agulha das bússolas. Além dos humanos, outras espécies animais utilizam o magnetismo terrestre para realizar grandes migrações, como acontece com os pássaros e as tartarugas.

Ainda não está totalmente compreendido como as aves conseguem se orientar por um campo magnético tão fraco. A teoria mais aceita é que os fótons da luz solar seriam responsáveis por excitar proteínas presentes na retina do olho de alguns pássaros – os chamados criptocromos. Em outras palavras, os fótons fariam com que elétrons fossem transferidos entre duas moléculas da proteína. Desse processo, resultariam duas moléculas de radicais livres, tendo cada uma um elétron não emparelhado (com spins opostos).

Várias espécies de aves migratórias utilizam o campo magnético terrestre para direcionar seu voo. (foto: Mdk572 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0)

A sensibilidade ao campo magnético da Terra estaria relacionada ao fenômeno da coerência quântica: porque os radicais livres foram produzidos simultaneamente, os dois elétrons ficam correlacionados, ou seja, o que afeta um afeta o outro instantaneamente. Esse estado de coerência quântica é muito sensível a efeitos de campos magnéticos. A interação com o campo terrestre modificaria a reatividade química das moléculas dos radicais livres, gerando um sinal que seria captado pelo cérebro do pássaro.

Até recentemente, essa hipótese não havia sido comprovada completamente e nem havia uma explicação para a precisão (de cerca de 5o) que os pássaros conseguem com a direção do campo magnético. Um estudo publicado na revista PNAS em abril deste ano mostrou uma investigação detalhada sobre a coerência quântica nos criptocromos. Seus resultados apontam que esse tipo de proteína levaria a longo tempos de coerência – sendo assim, haveria tempo para os pássaros “entenderem" em qual direção deveriam voar.

Estudos como esse mostram que os mecanismos de evolução foram capazes de desenvolver uma sofisticada ferramenta para a detecção de um efeito tão sutil, mas de fundamental importância para a garantia da continuação das espécies.

Não é um tema fascinante? Bem, sou suspeito para falar, pois me dedico há mais de 20 anos ao estudo do magnetismo e das sutilezas de seus efeitos sobre a matéria. Mas isso não me tira a empolgação de cada descoberta!

Adílson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos