A ontologia das linhas de força de Faraday: uma análise histórica

## A ontologia das linhas de força de Faraday: uma análise histórica

## Ciro Thadeu Tomazella Ferreira , Cibelle Celestino Silva 1 2

1 IFSC-USP, ciro.ferreira@usp.br

2 IFSC-USP, cibelle@ifsc.usp.br

## Resumo

O objetivo deste trabalho foi compreender a evolução da ontologia das linhas de força propostas por Michael Faraday, analisando quais foram as razões teóricas e experimentais que motivaram o desenvolvimento do pensamento deste acerca destes constructos teóricos. Para uma melhor compreensão das diferentes formas que o conceito de linha de força (e, por conseguinte, sua teoria de campo) se manifestam ao longo do Experimental Researches in Electricity (livro no qual ele descreve sua pesquisa em fenômenos elétricos) recorremos à literatura secundária, na qual diferentes historiadores e filósofos apresentam suas posições sobre o que foi e quando se deu o conceito de campo de Faraday, apreciando as razões pelas quais cada um destes enfatiza uma ocasião diferente e um conceito diferente como sendo o conceito de campo de Faraday. Tal literatura foi utilizada também para compreendermos a metodologia de Faraday, e visão que este tinha dos fenômenos elétricos antes de iniciar a pesquisa do Experimental Researches in Electricity.

Palavras-chave : Michael Faraday, história da física, linhas de força

## Introdução

O objetivo central deste trabalho é compreender a evolução e as diferentes visões de Michael Faraday (1791 - 1867) a respeito das linhas de força propostas por este, entendendo-as da perspectiva do próprio cientista, sem levar em conta quais facetas deste pensamento iriam permear a história do desenvolvimento científico após Faraday e quais seriam consideradas como uma mera peculiaridade deste cientista. Voltamos nossa atenção particularmente para a evolução da ontologia das linhas, que ao longo da obra de Faraday variam entre entidades meramente geométricas, que serviam de meio de visualização de determinados fenômenos, e entidades reais, que buscavam explicar a forma com a qual esses fenômenos ocorriam. Tal discussão está intimamente ligada com o debate entre as correntes realistas e antirrealistas da filosofia da ciência contemporânea, que discordam a respeito de qual deveria ser o estatuto ontológico das entidades teóricas presentes em teorias científicas.

Poderíamos, então, questionar qual a pertinência de uma pesquisa focada exclusivamente em história da ciência em um simpósio voltado ao ensino. Para isso chamamos a atenção para o crescente aumento de trabalhos que visam o uso da história da ciência em sala de aula, com o propósito de elucidar algumas dificuldades recorrentes dos estudantes, uma vez que existem estudos em educação que destacam um grande número de paralelos existentes entre a forma que estudantes vêem um conceito e a forma que este era visto pelos primeiros cientistas a abordá-los.

A compreensão das linhas de força engloba dois fatores. O primeiro consiste em compreender sua utilização como uma ferramenta visual, que facilita a

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visualização da noção abstrata de campo vetorial, concedendo um meio mais simples de se ilustrar como um campo se comporta no espaço, levando em conta sua direção e magnitude. O segundo diz respeito a compreender o que as linhas de força de fato são. Os livros didáticos costumam se focar no primeiro fator, enquanto que o segundo costumeiramente é negligenciado, ou ao menos não recebe tanta atenção. Em uma pesquisa realizada por Pocovi (2002) com estudantes argentinos foi notado que, entre os estudantes não existe apenas uma forma de se compreender as linhas de força. Alguns deles pensam nas linhas como sendo apenas uma representação visual de uma situação física, o que se assemelha com a visão presente nos livros-texto, enquanto que outros pensam nas linhas como entidades físicas capazes de 'transportar cargas, conter cargas e impor a tragetória da carga' (POCOVI 2002). Estas duas visões estão presentes, em certa medida, na visão do próprio Faraday. Inicialmente, quando este propôs a noção de linhas de força na ocasião da descoberta da indução eletromagnética, elas eram utilizadas de uma forma meramente ilustrativa, e Faraday ainda não afirmava compreender completamente a natureza deste fenômeno. Entretanto com o passar do tempo, através da descoberta de fenômenos novos e de discussões teóricas, Faraday passou a crer na existência física das linhas de força. Isto ilustra como uma pesquisa histórica da evolução do conceito de linhas de força pode ser pertinente para o ensino.

Entretanto não devemos pensar na história da ciência exclusivamente como um meio para o aprendizado dos conteúdos tradicionalmente lecionados em ciências, devemos ainda utilizá-la para abordar discussões a respeito da natureza e da metodologia científica que são usualmente negligenciados no ensino de ciências. A história da ciência é capaz de, por exemplo, ilustrar a complexa relação entre teoria e experimento, mostrando que, em contraste com a visão comum apresentada de um método científico no qual a observação sempre precede a criação da teoria, as vezes a teoria vem antes e é capaz de prever fenômenos antes desconhecidos, tão quanto é capaz de enviesar nossa forma de pensar a respeito do mundo natural.

## Metodologia

Foram analisados trechos do Experimental Researches in Electricity (FARADAY 1831) que mencionam o conceito das linhas de força, observando se este era utilizado de forma realista ou instrumentalista (ou seja, apenas como uma forma de visualização do fenômeno), e tomando-se cuidados para se evitar uma leitura anacrônica, enviesada pelo conhecimento atual do assunto. A literatura secundária foi utilizada para se traçar uma perspectiva geral do contexto de Faraday e de aspectos gerais do seu pensamento, e também para se fazer um levantamento do que os pesquisadores entendem por conceito de campo em Faraday (e, por conseguinte, linhas de força) e o que os levou a isto.

## Realismo e Antirrealismo Científicos

Existe um debate na filosofia da ciência atual entre duas grandes correntes denominadas realismo e antirrealismo, sendo que cada uma destas possuem numerosas subdivisões. Cada um destes lados possui uma visão sobre como devemos entender os processos e entidades teóricas presentes nas teorias científicas. Por entidades teóricas nós entendemos as entidades que estão presentes na teoria mas não podem ser diretamente observadas. O realismo

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defende que estes devem ser tidos como entidades e processos reais e verdadeiros , revelando que espécie de objeto e fenêmenos existem no mundo. 1 Naturalmente este posicionamento não pode ser aplicado a todas as teorias científicas, umas vez que muitas delas possuem um objetivo explícito de apenas modelar a realidade para fins práticos, e algumas são bastante especulativas. Aqueles que advogam tal postura afirmam que ela pode ser aplicada apenas para teorias julgadas maduras, entendo-se que uma teoria madura deve ser conhecida há muito tempo na comunidade científica, e deve ser consensualmente aceita por esta. Ela deve ainda ter sido testada de maneira séria sobrevivendo a tentativas de proválas falsas e deve ser embasada por uma ampla quatidade de evidências (FRENCH 2009, p.94).

Dadas tais condições de maturidade o posicionamento realista pode parecer bastante razoável. Porém, ao observar-se a história nós notamos que já houveram outras teorias que satisfizeram tais critérios, mas posteriormente foram substituídas. O que nos garente que algumas das teorias que são consideradas maduras atualmente não serão substituídas no futuro? Essa é uma das razões que motivam as correntes antirrealistas, que buscam uma forma alternativa de se ver a ciência, que não assuma necessariamente a realidade de suas entidades e processos. Uma das formas de resolver este problema é afirmar que uma teoria científica deve nos dizer apenas a forma como o mundo é em seu aspecto observável, tal vertente é denominada instrumentalismo. Ela permite que uma teoria possua entes inobserváveis, mas estes devem servir apenas como instrumento que preveja adequadamente os fenômenos observáveis.

Existem outras formas de antirrealismo que oferecem uma alternativa à perspectiva realista, mas para os propósitos deste trabalho o contraste da postura instrumentalista com a realista já é satisfatório.

## Michael Faraday

Michael Faraday nasceu no ano 1791, em Newington Butts, Surrey, mas se mudou para Londres com apenas 5 anos de idade, onde obteve uma educação bastante precária, dominando apenas rudimentos de leitura e de matemática. Aos 13 anos de idade adquiriu um emprego como ajudante de livreiro, sua ocupação consistia em ajudar no transporte de material e em encadernações. Neste emprego ele possuía uma quantidade considerável de tempo livre, que ele aproveitava lendo o que tivesse em mãos, e desta forma obteve alguma educação básica através de livros como a Encyclopaedia Britannica e Conversations on Chemistry, de Jane Marcet (WHITTAKER 1973, p.170). Um livro que lhe foi particularmente instrutivo foi o The Improvement of the mind , de Isaac Watts (1674 - 1748), cujo objetivo era conceder aos jovens uma maneira de otimizar sua busca por conhecimento, o que era particularmente útil para Faraday uma vez que, apesar de sua dedicação, este não possuía educação formal, e não sabia que forma lidar com a informação que ele tinha disponível. A influência deste livro sobre Faraday pode ser notada, por exemplo, no fato dele manter uma espécie de diário, no qual anotava ideias, fatos interessantes e outros ocorridos relevantes, hábito que é encorajado no livro (WILLIAMS, 1971, p. 12).

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No ano de 1812 Faraday assiste a uma série de 4 palestras do químico Sir Humphry Davy (1778 - 1829), sobre as quais ele faria cuidadosas anotações, posteriormente ele as encadernaria e enviaria para o próprio Davy, pedindo-lhe qualquer emprego que o permitisse trabalhar com ciência. No ano seguinte, tendo 22 anos, Faraday é contratado como auxiliar de laboratório de Davy na Royal Institution , posição que ele ocuparia até a morte de Davy, após isso ele se tornaria diretor dos laboratórios e, a partir de 1833, ocuparia a cadeira de química da instituição que foi fundada para ele. Inicialmente Faraday se ocupou principalmente de trabalhos relacionados a química até 1821 quando passou a se interessar por eletricidade, por ocasião da descoberta de Hans Christian Ørsted (1777 - 1851) de que uma corrente elétrica é capaz de defletir uma agulha imantada.

Além de sabermos um pouco acerca da vida de Faraday também é interessante, antes de analisarmos sua obra, discorrer um pouco a respeito da visão que Faraday adotava sobre a relação entre teoria e experimento. Williams (1989) ressalta que, apesar de existir pouca documentação a respeito deste ponto, um dos elementos que moldou tal visão foi o supracitado livro The Improvement of the Mind que recomenda cautela ao se estabelecer leis gerais a partir de um número pequeno de situações particulares. A visão de Faraday é descrita ainda como sendo baconiana, afirmando que o experimento deve preceder a teoria, que só devemos postular uma entidade teórica quando houverem sólidas bases experimentais que evidenciem sua existência e que uma hipótese deve ser descrita de forma cuidadosa sem permitir ambiguidades e possuindo uma forma clara de ser testada empiricamente. Isso não quer dizer que Faraday era estritamente experimental como costuma ser pintado, seu receio com hipóteses teóricas se extendia apenas aquelas que desconsideravam algum fato empírico, mas ele não possuía problemas com hipóteses que fossem capazes de orientar sua pesquisa de forma heurística (WILLIAMS 1960).

Um último ponto preliminar importante para compreender-se o trabalho que Faraday realizaria no ERE consiste em esboçar qual era sua postura inicial a respeito dos fenômenos elétricos. Qual visão ele tinha a tendência de defender e a quais teorias ele se opunha. Uma análise do debate que Faraday travou com André Marie Ampère (1775 - 1836) por volta de 1820 pode nos conceder esta perspectiva. Nesta época Ampère estava começando a defender suas teorias a respeito dos fenômenos elétricos e magnéticos, enquanto que Faraday ainda era um novato na área. As teses que Ampère pretendia sustentar variaram durante esse debate, devido a críticas feitas por Faraday, mas uma tese que ele manteve durante todo o debate foi a de que a atração e repulsão que ocorrem entre fios submetidos à corrente eram causadas por forças centrais (WILLIAMS 1989).

Para investigar esta tese Faraday decidiu mapear a influência magnética que uma corrente seria capaz de exercer em uma agulha magnetizada. Ele o fez aproximando uma agulha de um fio de várias formas, observando como cada um dos pólos da agulha reagia, sendo atraído ou repelido. A partir do padrão de atração e repulsão que a agulha apresentou nesse experimento Faraday inferiu que a estrutura das forças presente nesse tipo de fenômeno não era central, e sim circular. Esta discordância consiste no ponto central de discordância entre Faraday e Ampère, e compreendê-la nos concede um importante framework entender alguns experimentos realizados no ERE.

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## Matéria

Existem diversas razões que podem ser abordadas para justificar a evolução da ontologia das linhas de força, iremos fornecer apenas a título de exemplo a forma que a visão de matéria apresentada por Faraday em seu manuscrito intitulado Matter (FARADAY 1844) pode ter influenciado em tal mudança.

A necessidade de compor um modelo sobre a matéria nasce a partir da descoberta da indução eletromagnética, e com essa surge a questão de como a força pode se propagar a distância. Uma possível alternativa para isso seria aceitar a ideia de ação a distância, de forma semelhante a gravidade, porém Faraday era avesso a esta noção. Portanto ele inicialmente busca explicar esta propagação supondo que a matéria é composta por partículas sujeitas à polarização. Desta forma a indução ocorreria através da polarização sucessiva de moléculas presentes no meio, e assim poderia-se explicar a transmissão da força de maneira contínua. Entretanto Robert Hare (1781-1858) critica esta explicação de Faraday, dizendo que isso não era suficiente para se excluir a ação a distância, dizendo que ele apenas estava substituindo ação a grandes distâncias por ações a curtas distâncias. Para resolver isso Faraday decide aprimorar sua visão sobre matéria (DION 2006).

Para isso ele adotou o princípio de assumir o menor número de pressupostos possíveis, e observou que a matéria era conhecida por nós apenas através das forças atreladas a ela. Nós podemos notar que a matéria possui a tendência de exercer uma força atrativa quando distante (força gravitacional), quando próxima o suficiente ela exerce uma força repulsiva impedindo que os objetos penetrem um nos outros e assim por diante. Entretanto o centro material do átomo jamais é notado diretamente, então, tendo em vista que deseja-se supor o mínimo possível, qual é o benefício de se supor que ele ao menos exista? Seguindo tal raciocínio Faraday concebe o átomo como sendo apenas um centro pontual, em torno do qual se extende um padrão de força (ou seja, as linhas de força). Essa visão claramente privilegia a concepção realista das linhas de força, pois nela não só as linhas de força seriam uma entidade real, elas seriam a única entidade real.

## As visões de campo de Faraday

Se quiserrmos falar sobre a ontologia que Faraday atribuia as linhas de força é preciso antes esclarecer precisamente qual era o conceito de Faraday de linhas de força (ou, podemos dizer, seu conceito de campo). Entretanto não podemos falar a respeito de um conceito único de linhas de força para toda a obra de Faraday. Como é mostrado por Nersessian (1989) não existe consenso entre os pesquisadores sobre o que seria o conceito de campo desenvolvido por Faraday, e nem ao menos sobre a data no qual ele teria chegado a este. Portanto para fazermos uma análise adequada das linhas de força de Faraday é necessário ponderarmos quais são os diferentes conceitos de campo atribuídos a este. Para compreender um pouco do que gera respostas tão diferentes é necessário ainda saber o que os diferentes pesquisadores entendem por conceito de campo.

Na literatura existem duas respostas rotineiras sobre o período no qual Faraday estabeleceu seu conceito de campo. Alguns autores afirmam que foi entre 1821 e 1832, outros ficam entre 1845 e 1850 (NERSESSIAN 1989). Entre os autores que dão a primeira resposta estão Joseph Agassi e William Berkson. O primeiro afirma que o conceito de campo de Faraday seria o de 'vibrações na ausência de

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uma matéria que vibre, [...] propriedade sem substância e movimento na ausência de matéria que teria a propriedade de se mover', enquanto que para o segundo tal conceito afirma que 'forças são a única substância física' e que o mundo físico é 'um mar contínuo de força-substâncias, cada ponto desta interagindo apenas com sua vizinhança''. Ambos dão elevada importância para a ideia de que o espaço em si é capaz de transmitir a força, e que Faraday já possuía esta ideia nos princípios de sua pesquisa, por volta de 1831, ano no qual ele realizou seu experimento com o anel indutor, que resultou na descoberta da indução eletromagnética (WILLIAMS 1975). Entretanto Williams, no artigo supracitado, expressa severas críticas ao meio pelo qual estes chegam a esta conclusão, afirmando que eles incorretamente atribuem este conceito de campo de forma precipitada ao período inicial do trabalho de Faraday, por conta da visão filosófica que estes queriam defender.

Mesmo assim Williams, neste trabalho, concorda com estes autores que o conceito de Faraday de campo seria a 'habilidade do espaço de ser o veículo da força' (WILLIAMS 1975, p.250), ele discorda destes apenas na forma com qual Faraday alcançou tal conceito, e em qual ponto de seu trabalho isso foi consumado. Segundo este, Faraday só atingiria esse nível de abstração com o conceito de linhas de força magnética, sendo estas contínuas sem passar de partícula em partícula, ou seja, sem dependerem da matéria. Faraday chegaria a essa visão apenas em 1845, durante o estudo da indução magnética.

Nersessian (1989), apresenta uma visão diferente destes. Ela não pontua um conceito único de campo, mas sim um conceito que evolui com o tempo e possui mais de um aspecto. Para ela a característica central esperada de qualquer conceito de campo é a de que algum tipo de processo ocorra na região entre imãs, condutores e cargas, e que a ação entre os corpos seja devida à transmissão contínua de tais processo. Este critério já era satisfeito pela pesquisa de Faraday em 1832, quando disse que a indução eletromagnética ocorria através do 'corte' de linhas de força, descrevendo assim um processo que se passaria entre os corpos que participam do fenômeno. Mas este não consiste na visão final de Faraday a respeito das linhas de força. Até este ponto ele só considerava que a indução eletromagnética era um tipo de ação distinta da ação a distância, e que as linhas de força provavelmente teriam um papel essencial na descrição da transmissão de desta ação, mas esta ainda requeria um estudo mais aprofundado.

Mas então qual seria a concepção final de Faraday de campo segundo Nersessian? Ela afirma que o conceito de campo mais maduro de Faraday consistia em afirmar que força é uma substância, a única substância que existe, e que todas as diferentes forças podem ser convertidas entre si através de diferentes movimentos das linhas de força. Esta concepção sugere uma postura realista de Faraday, porém seria incorreto afirmar que este eventualmente tinha certeza da existência de tais linhas pois, como também é ressaltado por Nersessian, na vigésima oitava série do ERE Faraday traça uma distinção entre dois aspectos das linhas de força. O primeiro é o aspecto vetorial das linhas, que apenas representa a intensidade e direçao da força no espaço, sendo neutro no que diz respeito ao mecanismo através do qual ela se propagaria. O segundo é o aspecto de campo, que toma as linhas de força como sendo o meio físico que possibilita a transmissão da ação. Através da distinção entre estes dois aspectos inferimos que, apesar de Faraday ter exposto uma visão realista a respeito das linhas ele não se comprometeu completamente a elas.

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## Conclusões

Desconsidera-se completamente a possibilidade de atribuir-se apenas um estatuto ontológico que possa satisfazer a visão de Faraday a respeito das linhas de força por toda a extensão de seu trabalho. Da mesma forma que o próprio conceito de linhas de força não foi concebido pela primeira vez completo, e teve que ser refinado ao longo de suas pesquisas, seu estatuto ontológico também sofreu alteração.

Podemos, entretanto, descrever a evolução da ontologia das linhas de força de Faraday baseando-nos, por exemplo, na evolução do conceito de campo dada por Nersessian (1989). Ao conceber as linhas de força Faraday o faz com uma visão instrumentalista, sendo cauteloso no que ele afirmaria sobre estas e sustentando apenas que elas provavelmente seriam importantes na descrição da propagação da indução eletromagnética. Posteriormente, através de mais pesquisas e discussões teóricas como a exemplificada na seção 'matéria' deste resumo, ele iria começar a desenvolver uma visão mais realista a respeito das linhas de força, o 'aspecto de campo' descrito na seção anterior, mas essa concepção iria coexistir com o 'aspecto vetorial', mostrando o receio de Faraday se comprometer completamente com a realidade das linhas de força.

## Referências

DION, Sonia Maria. Michael Faraday e o manuscrito Matter: uma solução metafísica para o problema da ação a distância. Scientia Studia, v.4, n.4, p.615620, 2006

FARADAY, Michael. Experimental Researches in Electricity . Vol I, First Series, 1831 in HUTCHINS, R. M. (ed.). Encyclopaedia Britannica, Inc. Chicago: The University of Chigaco Press, 1952.

\_\_\_\_\_\_\_. Matéria, TRAD: Sonia Maria Dion. Scientia Studia. v.4, n.4, p.621626 (2006), 1844

FRENCH, Steven. Ciência: Conceitos Chave em Filosofia . Trad. André Klaudat. Porto Alegre: Artmed, 2009.

NERSESSIAN, Nancy J. Faraday's Field Concept. In: GOODING, David; JAMES, Frank. Faraday Rediscovered. New York:American Institute of Physics, 1989. p.175-188.

POCOVI, M. Cecilia; FINLEY, Fred. Lines of Force: Faraday's and Student's Views. Science & Education, Países Baixos, v.11, p.459-474. 2002.

WHITTAKER, Edmund Taylor. A history of the theories of aether and electricity . New York: Humanities Press, 1973. v.1.

WILLIAMS, Leslie Pearce. Faraday and the Structure of Matter. Contemporary Physics. v.2, n.2, p.93-105 1960.

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Michael Faraday: a biography . New York: Chapman & Hall, 1971.

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23 a 27 de janeiro de 2017

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