Para que serve a eletricidade?
Ninguém faria
esta pergunta hoje, porem num passado não muito remoto esta indagação
atormentou a vida de muitos pesquisadores responsáveis pelos avanços mais
significativos da ciência moderna.
É natural que
as atuais gerações que sempre conviveram num mundo com eletricidade só se de
conta da sua dependência em situações extremas, como em apagões ou racionamentos.
Blecautes são cada vez mais raros, pois os sistemas estão cada vez mais
confiáveis, porem quando ocorrem ocasionam verdadeiro caos nas localidades
atingidas, pois praticamente nada funciona sem energia elétrica. Hoje, tudo depende em maior ou menor grau de
eletricidade, do trabalho ao lazer com presença relevante em todas as
atividades humanas, como transporte, comunicação, industria, comércio,
finanças, saúde, educação, segurança, etc, porem há pouco mais de cem anos atrás
este mundo elétrico não existia e quase todos os princípios básicos das
invenções de equipamentos e sistemas elétricos datam desta época, tendo sofrido
de lá para cá apenas aperfeiçoamentos tecnológicos e expansão em larga
escala.
O século XVIII
foi marcado pela “Revolução Industrial”, com a máquina a vapor como carro chefe
deste período, porem o salto tecnológico iniciado ao final do século XIX e
início do XX no campo das telecomunicações (telégrafo, telefone e rádio) e
transportes (carro, avião, navio, trem) só foi possível com o empurrão do
domínio da eletricidade que intrigava os pesquisadores e motivou a iniciativa
de estudos e experiências por parte de muitos cientistas ligados principalmente
à física, química e matemática a partir do século XVII. Foram centenas os
cientistas que contribuíram nesta área do conhecimento, a ponto de muitas vezes
ser difícil identificar a qual deles atribuir o mérito desta ou daquela
descoberta, pois muitos obtiveram resultados idênticos trabalhando em paralelo
em pesquisas muito semelhantes numa época em que as comunicações à distância
dependiam dos serviços de correios e nos transportes predominava a tração
animal.
Pesquisavam e
estudavam, entretanto, sem ter idéia clara dos benefícios que poderiam derivar
destes trabalhos e quase todos estes pioneiros se foram, sem noção exata da
importância e dimensão que suas pesquisas representaram para as gerações
futuras. São figuras históricas, imortalizadas pelas suas obras e dedicação a
esta área tecnológica responsável por grande parte da modernidade que hoje
desfrutamos.
Um marco desta
história, talvez o mais importante, foi a descoberta de Alessandro Volta em
1800, que motivado em provar seu ponto de vista em contradição as teorias de
Luigi Galvani desenvolveu o primeiro dispositivo capaz de fornecer eletricidade
de forma contínua, a pilha. Até então só se conheciam equipamentos capazes de
fornecer eletricidade na forma de descargas (garrafa de Leyden e máquina
eletrostática). Volta era admirado por Napoleão Bonaparte (1), que acompanhava suas descobertas e num de
seus encontros veio a tona a pergunta sobre a pilha. Para que servirá? Volta
respondeu que ainda era muito cedo para saber o rumo dos acontecimentos, porem
o próprio dispositivo acabaria por indicar o caminho de sua utilidade futura.
Volta x Galvani
A pilha de Volta nasceu de uma controvérsia entre dois
grandes cientistas italianos, Alessandro Volta (1745/1827) era físico e Luigi
Galvani (1737/1798), médico. Galvani observou contrações musculares em rãs
mortas e dissecadas penduradas por ganchos de cobre em grades de ferro quando
se fechava o circuito ferro, cobre e rã. Atribuiu ao fenômeno a teoria de que a
eletricidade era gerada a partir do animal. Volta, a princípio aceitou esta
teoria, mas logo percebeu que a natureza elétrica do fenômeno era outra e
passou a defender que a eletricidade era gerada pelo contato de dois metais de
diferentes elementos. Teve então a idéia de construir a pilha utilizando discos
metálicos de prata (moeda) e zinco separados por feltro embebido em ácido, para
provar definitivamente sua teoria
Posteriormente,
a experiência de Michael Faraday no campo da indução eletromagnética foi a base
do motor elétrico e se caracterizou também como descoberta de destaque. Consta
que nesta ocasião (1831) durante uma das demonstrações de Faraday, um
importante político inglês (William Ewart Gladstone) teria
questionado sobre para que serviria tudo aquilo. Faraday teria respondido que a
descoberta seria a base de novas indústrias, sujeitas a impostos que
aumentariam bastante a arrecadação tributária do país. Talvez não muito seguro
de sua resposta, sem dúvida esta foi uma previsão certeira (2). A primeira aplicação da eletricidade com
impacto de grande relevância foi o telégrafo, aproximadamente
40 anos após a descoberta da pilha.
Nesta ocasião a
resposta à pergunta já estava muito clara na cabeça dos cientistas e houve o
desencadeamento de centenas de invenções atreladas à eletricidade, motivadas
pela versatilidade deste tipo de energia, capaz de transformar e ser
transformada em energia mecânica e térmica, o que propiciou o desenvolvimento
de dispositivos de iluminação, som, transporte, comunicação, lazer, medicina,
etc, e toda a infra-estrutura necessária de geração, transmissão, distribuição,
medição, etc. Alem disto, viabilizou ainda o desenvolvimento de equipamentos
portáteis devido à facilidade do armazenamento da energia em pequenas células
(pilhas e baterias). Com a difusão de meios de telecomunicações e transportes
de alta velocidade, uniu o planeta numa aldeia global.
Chega a ser
surpreendente que grande parte destas invenções precedeu a descoberta do
elemento responsável por toda esta história, o elétron. Só em 1897 Joseph John
Thomson (físico britânico) descreveu suas experiências com tubos de raios
catódicos identificando a partícula e dando início ao entendimento da estrutura
dos átomos, tão pequeno que nem os mais modernos avanços da tecnologia nos
permitiram ainda visualizá-los e até hoje o entendimento de sua estrutura só é
possível através de modelos físicos imaginários e matemáticos ainda não
totalmente perfeitos e que gerou novas perguntas, muitas ainda sem respostas.
Talvez nem o
domínio do fogo ou a descoberta da roda significaram salto de evolução
comparável ao que representou a introdução da eletricidade na vida cotidiana, e
sua universalização marcou o princípio de uma nova era.
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1-A região onde Volta viveu (hoje Itália) foi ocupada pelo império de Bonaparte por muito tempo.
2-O diálogo entre Faraday e Gladstone acerca da utilidade futura da eletricidade é muito citada, porém é também contestada em função de inconsistência cronológica e carência de comprovação documental.
Precursores e Pioneiros
Desde a
antiguidade já eram conhecidos alguns fenômenos relacionados à eletricidade
estática devido ao atrito. Ao se esfregar o âmbar com um pedaço de pele ou
tecido de lã ele adquire a propriedade de atrair pequenos objetos. Do grego vem a palavra elektron que
significa âmbar amarelo. Ainda na Grécia antiga, na região de Magnésia,
conhecia-se o fenômeno sobre a capacidade de certas pedras (magnetitas)
atraírem objetos de ferro. Daí a origem das palavras “eletricidade” e
“magnetismo”. (3)
Na idade média
(a partir do século XI) árabes e chineses já utilizavam a magnetita como
bússolas rústicas para se orientarem, mas foi só no final do século XVI que
primeiramente (1550) Girolamo Cardano (médico e matemático de Pávia/Itália)
escreveu sobre diferenças entre eletricidade e magnetismo e posteriormente
(1600) William Gilbert (médico da
rainha Elizabeth I) publicou um aprofundado estudo (De Magnete) sobre
fenômenos elétricos e magnéticos. Nesta
obra Gilbert defendeu a teoria do magnetismo terrestre, explicando porque a
agulha da bússola sempre aponta para o norte. (4)
No século XVII
apareceram os primeiros dispositivos de acumulação de eletricidade,
primeiramente com a máquina eletrostática inventada pelo físico alemão Otto von Guericke. Era uma bola de
enxofre movida por uma manivela e que se carregava de eletricidade através do
atrito com a mão protegida por luva (ainda pelo princípio da fricção). Adquiria
assim a capacidade de atrair ou repelir objetos e também de gerar centelhas.
Na primeira
metade do século XVIII, Pieter van Musschenbroek (médico holandês) inventou o
primeiro condensador de eletricidade (capacitor), porem o alemão Ewald Georg
von Kleist (cientista amador) já havia descrito dispositivo semelhante, o qual
consistia inicialmente de uma garrafa com água e uma haste metálica que
penetrava o interior da garrafa até a água pelo gargalo atravessando uma rolha
(posteriormente sofreu diversas modificações), batizada de Garrafa de Leyden,
em homenagem a Universidade de Leyden. A garrafa era eletrificada através de
máquina eletrostática. Marcam ainda esta época os trabalhos desenvolvidos por
Stephen Gray (cientista inglês) sobre condutores e isolantes e Charles François
de Cisternay du Fay (químico francês) sobre atração e repulsão de cargas
elétricas. Charles du Fay defendeu a teoria de “dois fluidos” elétricos, o
vítreo (eletricidade positiva) e o resinoso (eletricidade negativa). Em
seguida, na metade do século XVIII, surgem os trabalhos de pesquisadores mais
conhecidos, iniciando com as experiências do norte americano Benjamim Franklin
sobre cargas elétricas e pára-raios.
Franklin não
foi um cientista de dedicação exclusiva e seu interesse por eletricidade
começou tarde, depois de completar 40 anos de idade, porem seu trabalho nesta
área teve importância de destaque e suas teorias foram baseadas em experiências
práticas e intuição acurada. Alem dos trabalhos sobre o poder das pontas
(pára-raios) defendeu a teoria de “fluido único”, introduzindo o conceito de
carga “positiva” (+) e “negativa” (-) utilizadas até hoje, ou seja, corpos de carga
positiva (vítrea) possuem deficiência e carga negativa (resinosa) possui
excesso, por algum efeito de subtração ou acumulação de um “fluído único”.
A
execução do peru
Conta-se que numa véspera de natal, Benjamin Franklin
decidiu usar a eletricidade armazenada em Garrafas de Leyden para sacrificar o
peru da ceia. Em público, na hora da execução, Franklin acidentalmente
descarregou a eletricidade armazenada nas garrafas em si próprio e o choque
chegou a lhe provocar a perda dos sentidos. Como pouco vexame é bobagem, teve
ainda que assistir, resignado, a tradicional degola do peru pelas mãos de sua
companheira.
Henry Cavendish
foi um físico e químico britânico de personalidade excêntrica e seu nome não é
muito conhecido, por não ter publicado grande parte de seus trabalhos, porem
antecipou importantes descobertas hoje atribuídas a outros pesquisadores,
conforme comprovadas décadas depois de sua morte pela leitura de seus
documentos. Seus trabalhos abrangiam também medições.
Charles Augustin de Coulomb (engenheiro e físico francês) realizou experiência para determinação da
força entre cargas elétricas (Lei de Coulomb) utilizando uma balança de torção.
Os trabalhos até então de natureza qualitativa passam a ser de natureza
quantitativa também.
Finalmente, ao final do século XVIII, Luigi Aloisio
Galvani (médico italiano) defende teoria sobre “eletricidade animal” que é
contestada pelo seu compatriota, o físico Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio
Volta que culmina com a descoberta da pilha de Volta (1800), primeiro
dispositivo capaz de gerar corrente elétrica de forma contínua. A partir de
então se abriu a porta para uma grande quantidade de estudos de fenômenos
elétricos dinâmicos.
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3-Em história há diversas versões para acontecimentos e origens e não é diferente para a origem destas palavras.
4-No desencadeamento dos acontecimentos, há uma infinidade de citações relativa à seqüência de trabalhos e importância de indivíduos em referências diversas, pois cada autor seleciona os destaques sob o seu ponto de vista. O elenco de cientistas e pesquisadores que se dedicaram ao estudo pioneiro da eletricidade é bastante grande e se distribuíam em diversos países, principalmente da Europa e, portanto, somente alguns estão citados aqui.
de Estática a Dinâmica
No século XVIII
os cientistas se limitaram a estudos relacionados à eletricidade estática em
corpos carregados, materiais condutores e isolantes, natureza da carga
elétrica, medições de carga, atração, repulsão, magnetismo, etc. Não havia
dispositivo que permitisse pesquisas relacionadas a corrente elétrica.
Basicamente, até então só eram utilizados nas pesquisas máquinas
eletrostáticas, garrafas de Leyden e alguns mecanismos de medição como a
balança de torção.
Com o
desenvolvimento da pilha de Volta no início do século XIX, pesquisadores dos
laboratórios acadêmicos europeus começaram a utilizar esta invenção para dar
início a experiências antes impossíveis. Era o início de maiores descobertas e
domínio das propriedades da eletricidade dinâmica e se começou então a conceber
as possibilidades de sua aplicação para fins comerciais.
Em 1820 o
físico dinamarquês Hans Christian Orsted divulgou sua descoberta sobre o efeito
causado pela corrente elétrica numa bússola próxima. A agulha da bússola se
move com a passagem da corrente e esta propriedade propiciou a construção de
galvanômetros, aparelhos que permitem a identificação de presença de corrente,
mais o sentido (pela direção do movimento da agulha) e a intensidade (pelo
ângulo final de deflexão da agulha). Marcou então o início do eletromagnetismo.
A partir ainda
deste trabalho, André-Marie Ampère (físico e matemático francês) desenvolveu
uma série de trabalhos sobre mecanismos eletromagnéticos, como galvanômetro,
eletroímã e telégrafo e estabeleceu leis relacionadas a corrente elétrica. Na
mesma época Georg Simon Ohm (físico e matemático alemão) estabeleceu a
conceituação matemática básica (leis de Ohm) relacionando tensão, corrente e
resistência.
Em 1831, o
inglês Michael Faraday que era químico e físico autodidata e trabalhava na Royal Institution em
Londres apresentou o resultado de seus trabalhos sobre indução eletromagnética,
base para o desenvolvimento de geradores e motores, bem como transformadores.
Foi grande também sua contribuição na área de eletroquímica (eletrólise). Neste
mesmo período, Joseph Henry, cientista norte americano, construiu uma série de
eletroímãs e paralelamente a Faraday estudou a indução. Seus trabalhos foram
mais tarde aproveitados no telégrafo por Samuel Morse.
Wilhelm Eduard
Weber (físico) e Johann Carl Friedrich Gauss (matemático), trabalharam em
conjunto na Alemanha, chegando a desenvolver um telégrafo eletromagnético
(1833). Posteriormente Weber continuou produzindo importantes trabalhos sobre
eletromagnetismo e métodos de medição de quantidades elétricas. James Prescott
Joule, físico britânico estabeleceu as relações entre corrente elétrica e calor
dissipado em resistências.
Nas décadas de
1860 e 1870 o físico e matemático escocês James Clerk Maxwell sintetizou todo
conhecimento sobre eletricidade, magnetismo e ótica num modelo matemático
composto por um conjunto de quatro equações que ficaram universalmente
conhecidas como “Equações de Maxwell”. Seu trabalho foi baseado em dados
experimentais e teóricos de pesquisas de vários cientistas como Faraday,
Ampére, Weber e Gauss. A teoria eletromagnética sustentada pelo modelo de
Maxwell demonstra que os campos elétricos e magnéticos têm a mesma natureza e
se propagam na velocidade da luz. Esta teoria, entretanto, dependia ainda de
comprovação prática.
Equações Elegantes
Atribui-se a uma enquete da revista
Physical Review, a escolha das fórmulas matemáticas das equações de
Maxwell, do teorema de Pitágoras e da equação da energia de Einstein, nesta
ordem, como as que melhor exprimem ao mesmo tempo os quesitos de importância,
simplicidade e elegância. Poucos vão discordar desta escolha, mas apesar do
inegável mérito dos protagonistas que tiveram seus nomes associados a estas
equações a história mostra que outros personagens trabalharam na sua
formulação, e algumas vezes chega a ser surpreendente alguns detalhes da
cronologia, senão vejamos:
-Teorema de Pitágoras:
Quase tudo relacionado a Pitágoras
é envolto em mistério e a origem de seu conhecido teorema não foge a regra.
Como Pitágoras foi discípulo de sacerdotes egípcios e babilônicos (1) ainda hoje se especula sua origem, pois é
sabido que era conhecido pelos babilônicos e chineses anteriormente.
A sociedade criada por Pitágoras
mantinha pacto de sigilo de seus conhecimentos e isto explica os mistérios que
cercam a biografia deste filósofo e matemático, porem, é atribuído a Pitágoras
a demonstração de que o teorema era aplicável a todos os triângulos retângulos,
apesar de que há quem duvide desta afirmação. Ocorre que é impossível
identificar o que teria sido ensinado por Pitágoras do que teria sido
desenvolvido por seus discípulos.
-Equação da energia de Einstein
(E=mc2):
Em pleno século XVIII, a audaciosa
francesa Émilie du Châtelet (1706-1749) se tornou cientista
e se destacou em importantes trabalhos da física. Num deles juntou análises
teóricas de Leibniz e observações práticas de Gravesande para concluir que a
energia cinética de um corpo em movimento era proporcional a sua massa e ao
quadrado de sua velocidade (E=mv2), o que na época desafiava o
conceito defendido por Newton anteriormente. A equação de Einstein, portanto,
se baseou neste mesmo princípio.
-Equações de Maxwell:
Maxwell
sintetizou em equações matemáticas tudo o que se conhecia até então sobre
eletricidade e magnetismo, partindo de dados experimentais de vários
cientistas, principalmente das anotações de Faraday. Entretanto as ferramentas
matemáticas utilizadas por Maxwell na época não permitiam uma estrutura final
que expressasse os resultados de uma forma mais enxuta. Portanto as equações da
forma como hoje são não foram escritas por Maxwell em 1865. Foram necessários
ainda mais duas décadas e um árduo trabalho de brilhantes físicos e matemáticos
(2), entre eles George Francis Fitzgerald (físico irlandês, 1851-1901), Oliver J.
Lodge (físico inglês, 1851-1940) e Oliver Heaviside (engenheiro, matemático e
físico inglês, 1850-1925), para se chegar finalmente às quatro equações hoje
conhecidas.
Coube principalmente
a Heaviside desenvolver as ferramentas de cálculo vetorial que seriam
utilizadas nas expressões, que transformaram as equações originais de Maxwell
em apenas quatro equações diferenciais, em 1884 (3).
Matemáticos e
físicos, às vezes em conjunto, às vezes separadamente protagonizam verdadeiras
revoluções na explicação dos fenômenos da natureza. A matemática se tornou uma
poderosa ferramenta da física e sua aplicação foi adotada como uma linguagem
universal na montagem de modelos para sustentar teorias, comprovadas ou não
(ainda) pela observação. A matemática pura, entretanto, segue sua própria
lógica, sem se preocupar com interpretações físicas de seus modelos e mesmo
assim é surpreendente como freqüentemente se descobre que eles se encaixam na explicação
de fenômenos naturais. Neste sentido,
se por um lado os físicos se tornaram dependentes da matemática, por outro os
matemáticos podem se considerar auto-suficientes, pois se apóiam apenas em sua
própria ciência para continuar avançando.
Outrossim, a corrida das
descobertas e invenções se assemelha mais a uma prova de revezamento que uma
maratona individual e aqueles que conseguem cruzar a linha de chegada na
frente, quase sempre só o fazem graças aqueles que anteriormente lhe passaram o
bastão.
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1-Inscrição em uma tábua babilônica guardada em museu britânico: “4 é o comprimento, 5 é a diagonal, qual é a altura? 4 vezes 4 dá 16, 5 vezes 5 dá 25, tirando 16 de 25 o resto é 9, quantas vezes quanto devo tomar para ter 9? 3 vezes 3 dá 9, 3 é a altura”.
Demonstração:
2-The Maxwellians – Bruce J. Hunt, Cornell University Press, 1991.
3-Equações de Maxwell
O quarto elemento
Na mística
sociedade pitagórica do século VI a.C. o número 4 era considerado dos mais
relevantes, pois era associado a diversos fenômenos naturais, que ocorriam em
grupos de quatro, como por exemplo, os seus elementos (água, terra, ar e fogo),
estações do ano, etc. Em circuitos elétricos, até a pouco, só contávamos com
três elementos, descobertos nos séculos XVIII e XIX, quais sejam: capacitor,
resistor e indutor. Leon Chua, engenheiro da Universidade da Califórnia, previu
em 1971 a existência de um quarto elemento, batizado de Memristor, ou resistor
com memória. Esta notável sugestão foi idealizada através de análise de
simetria a partir das equações de Maxwell. Em 05/2008 pesquisadores da HP
relataram à revista Nature a descoberta do memristor em pesquisas de
nano-tecnologia. Trata-se de uma resistência que varia com a carga e retêm a
última informação após ter sido desligada. Pesquisa-se seu uso como memória não
volátil de equipamentos de informática.
Foi Heinrich
Rudolf Hertz (físico alemão) que posteriormente (1888) demonstrou a exatidão da
teoria de Maxwell utilizando aparelhos por ele mesmo desenvolvidos, de geração
e detecção de ondas eletromagnéticas (ondas hertzianas ou ondas de rádio).
Somente no
final do século XIX (1897) foi que o físico britânico Joseph John Thomson
comprovou a existência da partícula responsável pela carga negativa, o elétron,
através de experiências com tubos de raios catódicos.
A teoria de seu
modelo atômico (5), entretanto, não
explicava os fenômenos satisfatoriamente e foi objeto de modelos mais complexos
propostos posteriormente por outros pesquisadores. Até hoje continuam as
pesquisas para explicar a estrutura atômica, agora só possível através de
experimentos com aceleradores de partículas, pois não existe tecnologia para
observação visual do átomo.
Os trabalhos destes e de outros pesquisadores do mesmo
período serviram de base teórica para o surto de invenções ocorridas na segunda
metade do século XIX e início do século XX. O mundo atravessava um período de
transformações cotidianas talvez nunca antes experimentado na história.
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5-O modelo atômico proposto por
Thomson foi batizado de “pudim de passas”. Segundo este modelo o átomo seria
uma massa esférica de carga positiva salpicada de partículas negativas
(elétrons). Posteriormente Ernest Rutherford demonstrou que o átomo não é
maciço e defendeu um modelo “planetário”, com um núcleo onde estariam as cargas
positivas e os elétrons em órbitas. Niels Bohr corrigiu este modelo propondo
que os elétrons descrevem órbitas circulares específicas e definidas, podendo,
entretanto mudar de órbita instantaneamente.
Bateria
de Bagdá
Em escavações arqueológicas no Iraque em 1936, nas
proximidades de Bagdá, foram encontrados vasos de barro contendo tubo de cobre
envolvendo barra de ferro. Testes revelaram adicionalmente resquícios de
elementos ácidos em seu interior. Estes artefatos datam de 200 AC. Especula-se
que estes vasos eram baterias e que sua utilização seria em galvanização de
metais. De fato, adicionando-se liquido ácido no vaso, como vinagre, por
exemplo, surge uma diferença de potencial de aproximadamente um volt entre os
metais.