Introdução

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.