sábado, 10 de agosto de 2013

Biografia de Michael Faraday


Michael Faraday - óleo sobre tela, Thomas Phillips, 1842.
Michael Faraday. Nasceu em Newington, Surrey, a 22 de Setembro de 1791, e, faleceu em Hampton Court, a 25 de Agosto de 1867. Faraday foi um físico e químico inglês, sendo considerado um dos cientistas mais influentes de todos os tempos. Suas contribuições mais importantes e seus trabalhos mais conhecidos foram nos intimamente conectados fenômenos da eletricidade, eletroquímica e do magnetismo, e diversas outras contribuições muito importantes na física e na química. Faraday foi principalmente um experimentalista, e de fato, ele foi descrito como o "melhor experimentalista na história da ciência", embora não conhecesse matemática avançada, como cálculo infinitesimal. Tanto suas contribuições para a ciência, e o impacto delas no mundo, são certamente grandes: suas descobertas científicas cobrem áreas significativas das modernas física e química, e a tecnologia desenvolvida baseada em seu trabalho está ainda mais presente. Suas descobertas em eletromagnetismo deixaram a base para os trabalhos de engenharia no fim do século XIX por pessoas como Thomas Edison, Werner von Siemens, Nikola Tesla e George Westinghouse, que tornaram possível a eletrificação das sociedades industrializadas, e seus trabalhos em eletroquímica são agora amplamente usados em química industrial. Na física, foi um dos primeiros a estudar as conexões entre eletricidade e magnetismo. Em 1821, logo após Christian Oersted ser o primeiro a descobrir que a eletricidade e o magnetismo eram associados entre si, Faraday publicou seu trabalho que chamou de "rotação eletromagnética" (princípio por trás do funcionamento do motor elétrico). Em 1831, Faraday descobriu a indução eletromagnética, o princípio por trás do gerador elétrico e do transformador elétrico. Suas ideias sobre os campos elétricos e os magnéticos, e a natureza dos campos em geral, inspiraram trabalhos posteriores nessa área (como as equações de Maxwell), e campos do tipo que ele fitou são conceitos-chave da física atual. Na química, descobriu o benzeno, produziu os primeiros cloretos de carbono conhecidos (C2Cl6e C2Cl4), ajudou a estender as fundações da metalurgia e metalografia, além de ter tido sucesso em liquefazer gases nunca antes liquefeitos (dióxido de carbono, cloro, entre outros), tornando possíveis métodos de refrigeração que foram muito usados. Talvez sua maior contribuição foi em virtualmente fundar a eletroquímica, e introduzir termos como eletrólito, ânodo, catodo, eletrodo, e íon.
 
Biografia
Michael Faraday nasceu em Newington Butts, ao sul de Londres. Sua família era
A loja de George Riebau, onde Michael Faraday foi aprendiz por sete anos.
pobre e seu pai, James Faraday, era um ferreiro que com a mãe de Faraday, Margaret Hastwell, tinha no começo de 1791 migrado do norte da Inglaterra para Newington Butts, em busca de trabalho. Eles já tinham dois filhos antes de se mudarem (um menino e uma menina), e Faraday nasceu poucos meses depois dessa mudança. A família logo se mudou de novo, agora para Londres, onde o jovem Michael Faraday, um de quatro filhos (uma menina nasceu após Faraday), recebeu os rudimentos de uma educação, aprendendo a ler, escrever, e aritmética. Faraday começou a trabalhar aos 13 anos de idade, como menino de recados de um encadernador e comerciante de livros, George Riebau, um imigrante francês que foi para Londres devido à Revolução Francesa. Em 1805, aos 14 anos, Faraday tornou-se aprendiz de Riebau, e leu vários dos livros que encadernou durante seus sete anos de aprendizado. Um livro que chamou sua atenção foi Conversations of Chemistry (Palestras Sobre Química) de Jane Marcet, escrito em 1805. A obra A Melhoria da Mente, de Isaac Watts, fez com que ele meditasse a respeito. Leu a Enciclopédia Britânica (um exemplar que estava encadernando) e interessou-se muito por um artigo sobre eletricidade. Como resultado de suas leituras realizou experiências químicas simples: certa vez teve acesso a um livro chamado Experiências Químicas, e com o pouco dinheiro que tinha comprou instrumentos simples e começou a fazer as experiências que estavam no livro. Assim, foi modelando sua
Faraday dando palestra na British Royal Institution.
inteligência, desenvolvendo sua técnica. Conforme ele progredia, aumentava o seu interesse e a sua curiosidade. Lia todos os livros de ciência que encontrava. Desde 1810 Faraday assistiu aulas de John Tatum (fundador de uma sociedade filosófica), sobre diversos assuntos. Em 1810, com 20 anos de idade, Faraday foi convidado para assistir a quatro conferências de sir Humphry Davy, químico inglês e presidente da Royal Society entre 1820 e 1827. Faraday tomou notas destas conferências e, mais tarde, redigiu-as em formato mais completo. Então, em 1812, escreveu para Humphry Davy (que admirava muito desde que assistiu as aulas de química), mandando cópias destas notas. Davy respondeu para Faraday quase imediatamente, e muito favoravelmente, além de marcar um encontro. Em Março de 1813, foi nomeado ajudante de laboratório da Royal Institution, por recomendação de Humphry Davy. Davy precisava fazer uma lâmpada de segurança para ser usada nas minas e Faraday pode mostrar seu potencial, dando-lhe sugestões, pois tinha grande capacidade analítica. Suas sugestões foram aceitas. Davy o reconheceu e lhe deu a oportunidade de participar ativamente de suas experiências. Seis meses depois, Davy o convidou para acompanhá-lo como seu “assessor filosófico” em uma série de conferências. No dia 13 de Outubro de 1813, partiram para a Europa. “Esta manhã marca uma época em minha vida”, escreveu em seu diário. Como o criado de Davy desistiu de viajar, Faraday assumiu este papel. A viagem foi cheia
Faraday, 1917.
de surpresas para Faraday: conheceu o mar, as montanhas, o Vesúvio; em Paris, viu Napoleão; conheceu Alessandro Volta, André-Marie Ampère, Joseph Gay-Lussac e outros cientistas. Em 1815, de volta à Inglaterra. Faraday passa a integrar o Royal Institution, sendo conferencista ocasional. Ele e Davy concluem a lâmpada de segurança, que começou a ser usada no ano seguinte. Faraday declara que a lâmpada não era perfeitamente segura, o que desagrada ao ego de Davy. Ingressou na Sociedade Filosófica, onde realizava conferências sobre química, utilizando-se do que ouvia de Davy. Em 12 de Junho de 1821, Faraday casou-se com Sarah Barnard (1800-1879), e não tiveram filhos. Em 1820, Hans Christian Ørsted provou os efeitos magnéticos da corrente elétrica: um fio metálico conduzindo corrente elétrica provoca o desvio de uma agulha metálica. Em 1821, William Hyde Wollaston concluiu que ao aproximar um ímã de um fio onde está passando corrente elétrica o fio deveria girar em torno do ímã. No dia 3 de Setembro deste ano, Faraday mostrou que uma barra de ímã girava em torno de um fio eletrizado e que um fio suspenso eletrizado girava em torno de um ímã fixo, comprovando a teoria de Wollaston. Em Outubro, publicou no “Quarterly Journal”. No natal do mesmo ano, fez com que o fio se movesse pela influência do magnetismo terrestre. Com uma sugestão de Davy, Faraday consegue obter cloro líquido. Escreveu, então, um comunicado para a Royal Society. Mas Davy o lê, antes de ser enviado, e redige uma nota sobre sua participação. Foi eleito membro da Royal Society em 1824. Recebeu a nomeação para diretor do laboratório em Fevereiro de 1825. Neste mesmo ano, isolou o benzeno do óleo de baleia. Trabalhou como perito em tribunais, tendo ganho, num só ano, cinco mil dólares. Em 1827, foi convidado para trabalhar na Universidade de Londres, mas rejeitou o convite. Trabalhou por quatro anos em vidros para óptica. Obteve várias qualidades de vidro, conseguindo aperfeiçoar o telescópio. Em 17 de Outubro de 1831, demonstrou que era possível converter energia mecânica em energia elétrica. Foi a primeira demonstração de um dínamo, que veio a ser o principal meio de fornecimento de corrente elétrica. No dia 29 desse mês, pegou um disco de cobre preso a um cabo e um ímã em
Túmulo de Faraday.
formato de ferradura. Entre os pólos do ímã fez girar o disco, que estava ligado a um galvanômetro, a agulha se moveu com o girar do disco. Em 1832, fundou a eletroquímica e desenvolveu as leis da eletrólise. Neste mesmo ano, recebeu o Diploma Honorário da Universidade de Oxford, sendo homenageado com a medalha Copley da Royal Society, a maior honraria já concedida por ela. Em 1833 tornou-se Professor Fulleriano de Química na Royal Institution. Faraday teve importância na química como descobridor de dois cloretos de carbono, investigador de ligas de aço e produtor de vários tipos novos de vidros. Um desses vidros tornou-se historicamente importante por ser a substância em que Faraday identificou a rotação do plano de polarização da luz quando era colocado num campo magnético e também por ser a primeira substância a ser repelida pelos pólos de um ímã. Particularmente, ele acreditava nas linhas de campo elétrico e magnético como entidades físicas reais e não abstrações matemáticas. Porém, suas descobertas no campo da eletricidade ofuscaram quase que por completo sua carreira química. Entre elas a mais importante é a indução electromagnética, em 1831. Em 1857, o professor Tyndall lhe oferece a presidência da Royal Society, mas Michael recusa: “quero ser simplesmente Michael Faraday até o fim”. Ele queria continuar com suas experiências, se fosse presidente não teria tempo para isso. Faraday morreu na sua casa em Hampton Court, aos 75 anos, e não foi enterrado na Abadia de Westminster, mas no Cemitério de Highgate.
 
A história com a rainha
Há relatos de um evento supostamente ocorrido com Faraday que é usado até hoje como forma de satirizar aqueles que não conseguem encontrar relevância em trabalhos de pesquisa básica, como os realizados por Faraday. Certa vez Faraday recebeu uma visita da rainha da Inglaterra em seu laboratório. Quando a rainha lá chegou, Faraday logo se pôs a mostrar-lhe todas as suas invenções e descobertas. Ao terminar a demonstração a rainha perguntou: Mas para que servem todas essas coisas? Ao que o sábio físico respondeu: E para que serve um bebê?

A Gaiola de Faraday
Um campo elétrico externo faz com que as cargas se rearranjem, cancelando o campo interno.
A gaiola de Faraday foi um experimento conduzido por Michael Faraday para demonstrar que uma superfície condutora eletrizada possui campo elétrico nulo em seu interior dado que as cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da superfície condutora (o que é fácil de provar com a Lei de Gauss), como exemplo podemos citar o Gerador de Van de Graaff. No experimento de Faraday foi utilizada uma gaiola metálica, que colocou um isolante e uma cadeira de madeira e sentou-se, deu-se uma descarga elétrica,e nada o aconteceu, e provou que um corpo dentro da gaiola poderia permanecer lá, isolado e sem levar nenhuma descarga elétrica pois os elétrons se distribuem em sua parte exterior da superfície. Normalmente hoje em dia são usadas na banda arc attack dos Estados Unidos, para poderem ficar entre as descargas de alta tensão, sem nenhum dano ou queimadura (bobinas de tesla). Quando objetos condutores em forma de barra possuem uma carga líquida, por exemplo, estas buscarão as extremidades opostas, devido à repulsão eletrostática entre cargas de mesmo sinal. Isto ocorre devido à tendência natural de cargas elétricas de mesmo sinal é de ocuparem regiões de maior distância possível umas das outras, de modo a minimizar a diferença de potencial eletrostático, causando um efeito chamado de blindagem eletrostática. como cascas esféricas tem carga líquida, estas se distribuirão na superfície externa da mesma. 
 
A constante Faraday
A "constante de Faraday" (símbolo: F) é uma constante física fundamental que representa a carga molar elementar. A constante recebeu este nome em homenagem ao cientista britânico Michael Faraday, devido aos seus vastos estudos em eletroquímica.

Valor verdadeiro convencional para a constante de Faraday

Atualmente o CODATA (CODATA, 2008) recomenda para a constante de Faraday o valor de:(notação concisa)
Este é o melhor valor estimado para a constante de Faraday, conhecido também como valor verdadeiro convencional (de uma grandeza).

Lei de Faraday-Neumann-Lenz
A lei de Faraday-Neumann-Lenz, ou lei da indução eletromagnética, é uma das quatro equações de Maxwell que regem o eletromagnetismo clássico. É com essa lei que se entende a produção de corrente elétrica em um circuito colocado sob efeito de um campo magnético variável ou por um circuito em movimento em um campo magnético constante. É a base do funcionamento dos alternadores, dínamos e transformadores.

História

Representação do vetor campo elétrico de uma onda eletromagnética circularmente polarizada.
Inicialmente Michael Faraday trabalhava em experimentos de química, supervisionado por seu chefe sir Humphry Davy, mas à luz dos resultados obtidos por Oersted sobre como correntes elétricas geravam campos magnéticos, o interesse de Faraday o fez iniciar uma série de experiências que resultaram na exposição à Royal Society de Londres, no dia 24 de Novembro de 1831, do "Experimental Researches in Eletricity", um trabalho que continuou ao longo dos anos posteriores onde Faraday cobriu vários fenômenos elétricos. Nessa primeira etapa ele fez experiências na esperança de encontrar analogias entre o comportamento de cargas em movimento (corrente elétrica) e de cargas paradas em condutores. A hipótese inicial era de que, assim como um corpo carregado pode induzir cargas elétricas em outros corpos, correntes elétricas seriam capazes de induzir correntes em circuitos próximos. No entanto, em suas experiências, Faraday foi capaz de perceber que uma corrente estacionária não gera nenhuma corrente em um circuito próximo. Contudo, o ato de ligar ou desligar essa corrente induzia sim uma força eletromotriz no circuito que esteve sempre desligado. Ao longo do trabalho no laboratório, ficou claro para ele que a geração de correntes induzidas dependia da variação temporal da corrente indutora. Com esses resultados, Faraday foi em busca da lei que rege o fenômeno de indução. Para tal, ele trabalhou com o conceito de linhas de campo, conceito derivado dos padrões apresentados por limalhas de ferro quando expostas a um campo magnético. Para Faraday, todo o espaço seria preenchido pelas linhas de campo magnético e a densidade dessas linhas seria correspondente à intensidade do campo naquele ponto e portanto à força magnética naquele ponto.Mais tarde
Limalha de ferro sob efeito de um imã, a limalha se alinha com as linhas de campo.
Faraday percebeu que um ímã natural também gerava uma corrente em um circuito próximo se esse ímã fosse aproximado ou se houvesse qualquer movimento relativo entre o circuito e o ímã. A indução então dependia do movimento relativo às linhas de campo magnético em sua proximidade. A descrição exata dessa relação foi tema de suas experiências durante muito tempo.
Em 1832, ele estabeleceu que correntes induzidas, produzidas sob as mesmas condições, em fios diferentes eram proporcionais à condutividade dos fios. Esse resultado mostra que a corrente induzida gera uma força eletromotriz e essa pode ser observada como uma corrente em um circuito fechado, ou uma diferença de potencial em um circuito aberto. Temos então uma espécie de "espelho" da Lei de Ampère. Enquanto a Lei de Ampère diz como uma corrente gera um campo magnético, temos a Lei de Faraday, que mostra como um campo magnético (a variação dele) pode gerar uma corrente.

Lei de Faraday-Neumann-Lenz

Tal lei é derivada da união de diversos princípios. A lei da indução de Faraday, elaborada por Michael Faraday em 1831, afirma que a corrente elétrica induzida em um circuito fechado por um campo magnético é proporcional ao número de linhas do fluxo que atravessa a área envolvida do circuito, por unidade de tempo. Faraday definiu essa lei de maneira verbal, usando o arcabouço de linhas de campo que ele mesmo havia desenvolvido, o que dificultou a transmissão de suas idéias no meio acadêmico. Apenas no ano de 1845 Franz Ernst Neumann escreveu a Lei em uma forma matemática:
\mathcal{E}=-\frac{\Delta \Phi_B}{\Delta t}
Onde \Phi_B é o fluxo, definido como:
\Phi_B = \int_S  \mathbf{B} \cdot  d\mathbf{S}
A superfície S é qualquer superfície cuja borda seja o circuito que está sofrendo indução. Usando a definição de FEM e tornando \Delta infinitesimal temos:
\oint_c   \mathbf{E} \cdot d\mathbf{l} = -{d\Phi_B \over dt}
Sendo E o campo elétrico induzido, dl é um elemento infinitesimal do circuito e dΦB/dt é a variação do fluxo magnético no tempo. Uma maneira alternativa de se representar a lei de indução é aplicar o Teorema de Stokes:
 \nabla \times  \mathbf{E} = -\frac{\partial   \mathbf{B}} {\partial t}
O sinal de menos é contribuição fundamental de Heinrich Lenz. A corrente induzida no circuito é de fato gerada por um campo magnético, e a lei de Lenz afirma que o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que a gera. Isso significa que a indução sempre se dá com o intuito de manter o campo com a mesma direção e magnitude. Caso o campo magnético aumente, surge uma corrente que gera um campo contrário, tentando impedir esse aumento. Se o campo diminui um efeito inverso acontece. Isso não significa que as correntes induzidas sejam suficientes para manter o campo magnético.

Aplicações

As aplicações da Lei de Faraday-Neumann-Lenz são inúmeras e podemos citar: indutores, alternadores, dínamos e transformadores. Qualquer equipamento eletro-eletrônico usa o fenômeno de indução, seja com indutores em circuitos ou em transformadores para utilizar vários níveis de tensão.

Transformador

Esquema de um transformador ideal.
Vamos usar como exemplo um transformador ideal. Um transformador ideal consiste de um núcleo que contém completamente o fluxo magnético dentro dele e duas bobinas: uma que chega com a tensão e corrente vindas de um gerador e o outro lado que vai ser usado em algum circuito, uma tomada por exemplo.
Dado o número de voltas N_1 da bobina 1 e N_2 o número de voltas da bobina 2. Temos então:


\mathcal{E}_1 = -N_1 {d\Phi_B \over dt}


Como a tensão de entrada é conhecida e o fluxo magnético é igual nas duas bobinas:


\mathcal{E}_2 = -N_2 {d\Phi_B \over dt} = N_2 \frac{\mathcal{E}_1}{N_1}


E a razão entre as tensões depende somente da razão entre o número de voltas das bobinas:


 \frac{\mathcal{E}_2}{\mathcal{E}_1} = \frac{N_2}{N_1}


Gerador

Como visto antes, o processo regido pela Lei de Faraday-Neumann-Lenz não discrimina entre condutor ou ímã se movendo. O fluxo de um campo magnético uniforme passando por uma bobina fina pode ser escrito como:


\Phi_B = N\mathbf{B} \cdot \mathbf{A}


 \Phi_B = NBA\cos\theta


Onde \theta é o ângulo entre o campo e a normal da área orientada da bobina. Se a bobina está girando temos:


\theta = \omega t.


Calculamos a FEM então como:


\mathcal{E} = - \frac{d\Phi}{dt} = -\frac{d}{dt}NBA\cos(\omega t)


\mathcal{E} = \omega NBA\sen(\omega t)


Esse tipo de gerador é um exemplo de modelo de gerador que fornece a corrente alternada que é usada no cotidiano.

Citações de Michael Faraday

"Nada é tão maravilhoso que não possa existir, se admitido pelas leis da Natureza".
- Nothing is too wonderful to be true, if it be consistent with the laws of nature
- The Life and Letters of Faraday - v.2 Página 253, de Bence Jones, Michael Faraday - Publicado por Longmans, Green and co., 1870.

Assinatura de Michael Faraday

Michael Faraday

Referências

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