Uma não tão breve história do magnetismo

No início do século XX, os físicos Niels Bohr, em 1911, e Hendrika Johanna van Leeuwen, em 1919, descobriram, independentemente, algo surpreendente. Segundo todas as leis conhecidas da física, o magnetismo era impossível. Essa descoberta não fazia sentido. A humanidade utilizava bússolas magnéticas há mil anos e qualquer pessoa que já tivesse segurado dois metais magnetizados sabia que uma força invisível atuava sobre eles. O Teorema de Bohr-van Leeuwen, demonstra sim que o magnetismo é impossível na física clássica. Niels e Hendrika sabiam que algo lhes escapava, mas o quê?

O teorema prova matematicamente que, quando se aplicam as leis da mecânica estatística clássica e da mecânica clássica, a magnetização líquida de um sistema em equilíbrio térmico é sempre zero.

Na década de 1920, os físicos já haviam aprendido bastante sobre os fundamentos da matéria. Sabiam que todo material é composto por átomos, cada um formado por um núcleo contendo prótons e orbitado por elétrons. Sabiam também que ambas as partículas possuem algumas propriedades fundamentais, incluindo uma pequena massa, carga elétrica e certo grau de magnetismo.

A origem dessas propriedades intrínsecas permanece um mistério. No entanto, o resultado é que cada elétron e próton funciona como um minúsculo ímã, agindo exatamente como suas versões em escala real. Ambos possuem campos magnéticos invisíveis que se irradiam em circuitos fechados, de uma extremidade à outra.

Esses polos magnéticos são atraídos pelas linhas de campo densas do polo oposto de outros ímãs e repelidos por campos que fluem na direção contrária.

Naturalmente, os pesquisadores ainda tinham dúvidas. O que determina a direção desses campos magnéticos? E, se todo átomo é composto por minúsculos ímãs, por que nem tudo é magnético?

As respostas surgiram com o nascimento da mecânica quântica: um novo ramo da física que explora como as leis da natureza operam de forma diferente em nível subatômico.

Em 1926, dois físicos holandeses descobriram que, além de massa, carga e magnetismo, as partículas possuíam outra propriedade fundamental: o "spin" quântico. Esse termo pode causar confusão, pois, embora nada esteja realmente girando, o spin refere-se a uma espécie de orientação inata que influencia o comportamento da partícula.

Na década de 1930, o ganhador do Prêmio Nobel John H. Van Vleck descobriu que essa propriedade continha a resposta para inúmeras questões sobre o magnetismo, inclusive as de Bohr e van Leeuwen.

Basicamente, a direção do spin de uma partícula determina a direção de seu campo magnético. E, como os elétrons possuem campos magnéticos muito mais fortes do que os prótons, a direção de seu spin determina se algo é magnético ou não.

Se um número suficiente de elétrons de um material girar na mesma direção, seus diversos campos magnéticos minúsculos se alinharão, transformando o material em um ímã com um campo orientado nessa direção. Quanto mais elétrons alinhados, mais forte será o ímã.

Por outro lado, se um material estiver repleto de elétrons com spins opostos, seus campos se anularão mutuamente, resultando em um material não magnético.

A maioria dos elementos possui elétrons que se organizam em pares e giram em direções opostas; é por isso que a maioria dos materiais não é magnética.

No entanto, o ferro, o níquel, o cobalto e alguns metais raros tendem a manter alguns de seus elétrons desemparelhados. Isso não os torna magnéticos automaticamente: o fato de os elétrons estarem desemparelhados não significa que sempre girarão na mesma direção. Contudo, eles podem ser levados ao alinhamento por meio da interação com átomos vizinhos.

Pesquisadores podem iniciar esse processo aplicando um campo magnético forte ou aquecendo e resfriando o material dentro de um campo magnético mais fraco. Esses metais permanecem magnetizados permanentemente, a menos que o alinhamento de seus elétrons seja desordenado por calor intenso ou por um campo magnético extremamente forte.

No entanto, esse processo de magnetização pode tornar qualquer material magnético temporariamente.

Felix Bloch e Edward Mills Purcell aproveitaram esse princípio em 1945, ao inventarem a espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Essa tecnologia utiliza um campo magnético forte para alinhar temporariamente os prótons de um material e, em seguida, um campo mais fraco para tirar moléculas específicas desse alinhamento.

A máquina então monitora a energia eletromagnética liberada pelos prótons perturbados à medida que eles se realinham, permitindo que os pesquisadores mapeiem a estrutura molecular do material.

Essa invenção lançou as bases para os aparelhos de ressonância magnética (MRI), que utilizam uma abordagem semelhante para magnetizar a água em nosso corpo e mapear nossos tecidos.

Naturalmente, a ressonância magnética nuclear e a ressonância magnética são apenas duas das inúmeras tecnologias modernas que dependem do magnetismo.

Discos rígidos de computador, motores elétricos, alto-falantes com neodímio, comunicação sem fio, todas essas invenções provam não apenas que o magnetismo existe, mas também que o estudo desse fenômeno continua sendo fascinante.

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