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Eletricidade
posta a trabalhar Prof.
Luiz Ferraz Netto A divulgação, meu gosto, é aquela que dá aos jovens as respostas que eles nunca chegaram a fazer. 'Nascem'
os aparelhos elétricos Muito antes que a importância da lei de Ohm obtivesse reconhecimento universal, os industriais já tinham começado a explorar os conhecimentos elétricos com impressionante rapidez. O efeito químico da corrente elétrica foi explorado na galvanização dos metais. Neste processo temos duas variantes a seguir; numa, o sal de um metal é decomposto pela corrente, de tal maneira que as partículas do metal são depositadas sobre outro pedaço de metal ligado ao terminal negativo de uma bateria; noutra (ilustrada abaixo), a peça a ser recoberta pelo metal (1) é ligada ao catodo, o metal (3) do revestimento (em geral em forma de anel) é ligado ao anodo e o eletrólito é uma solução salina.
O efeito 'calorífico' da corrente elétrica também encontrou importantes aplicações. Já em 1845, a lâmpada de arco elétrico era usada para iluminar as ruas em Baltimore. A luz dessa lâmpada é produzida pelo brilho intenso que se forma na folga entre dois bastões de carbono ligados a uma fonte de corrente contínua. O arco voltaico é ligado juntando-se primeiramente as extremidades dos bastões e depois separando-as ligeiramente. Detalhes do arco e das soldaduras podem ser vistos em nossa Sala 12 (clicar).
A
lâmpada de arco (efeito 'luminoso' das correntes) representou a
primeira aplicação, no campo da eletricidade, na iluminação.
Por volta de 1879, Joseph Swan,
na Inglaterra, e Thomas Edison,
na América, tinham desenvolvido lâmpadas incandescentes práticas,
utilizando delicados filamentos de carbono. Desde 1820 se faziam lâmpadas
incandescentes utilizando filamentos de platina, mas sua vida era
extremamente curta. Isto era devido parcialmente à incapacidade
que tinham os inventores em obter um vácuo suficientemente
perfeito nos bulbos das lâmpadas. Assim que a corrente aquecia o
filamento até incandescê-lo, o metal se oxidava e desintegrava.
Entretanto, a principal dificuldade era a pequena margem entre a
temperatura na qual a platina começa a brilhar e a temperatura na
qual na qual ela se funde. A corrente elétrica tem uma terceira propriedade extremamente útil, além do aquecimento elétrico e da decomposição química: a capacidade de produzir um campo magnético --- um efeito invariavelmente associado à qualquer corrente elétrica. O efeito magnético foi o primeiro a ser explorado comercialmente, como o principio básico dos sistemas do telégrafo magnético. A telegrafia foi introduzida na década de 1820, e expandiu-se rapidamente na década seguinte, especialmente na América do Norte. A deflexão da agulha de uma bússola por um imã natural fora sugerida muito antes, como um meio de sinalização. Mas a exploração prática da idéia estava inteiramente fora de cogitação, enquanto a magnetita era a única fonte de magnetismo. Com a descoberta do eletromagnetismo por Oersted, a capacidade de criar ou destruir à vontade o magnetismo -- através do eletroímã -- transformou a telegrafia à longa distância em uma possibilidade real. O primeiro telégrafo eletromagnético foi desenvolvido em 1820 por André Marie Ampère, o grande cientista francês. Ampère utilizou um fio para cada letra do alfabeto, servindo a terra como um condutor de retorno para cada circuito. Pequenas agulhas magnéticas foram colocadas dentro de bobinas na extremidade mais distante de cada fio. Uma corrente passando por um dos fios (e o retorno pela terra) fazia defletir a agulha relacionada, dessa maneira indicando a letra desejada. Era a experiência de Oersted repetida para cada letra e sinal do alfabeto. Mas, com um fio para cada letra ou sinal! Algo assim:
Logo apareceram muitos telégrafos de agulha e, em 1831, o americano Joseph Henry (1799-1878) construiu um telégrafo eletromagnético utilizando apenas um fio. Seu aparelho consistia de uma barra de aço magnetizado que era equilibrada em um eixo, podendo girar no plano horizontal. Um eletroímã colocado nas proximidades podia atrair a barra de aço. Quando era enviada uma corrente através do eletroímã, a extremidade da barra de aço fazia soar uma campainha. A informação era transmitida por meio de códigos de combinações de sons. O
telégrafo Morse
O coração do aparelho de recepção de Morse era um eletroímã que fazia um lápis deslocar-se quando recebia o pulso de uma corrente elétrica. O lápis estava em contato com um rolo de papel em deslocamento e traçava uma linha reta sobre o papel, quando nenhum sinal estava sendo recebido. Recebendo uma corrente, o lápis deslocava-se para o lado, voltando à posição neutra quando a corrente caía a zero. Dessa maneira, uma seqüência em que a corrente era ligada e desligada ocasionava um traçado como o da ilustração acima. Se a corrente permanecesse ligada por 1/24 do segundo, um “ponto” era traçado pelo lápis. Se ficasse ligada durante 3/24 do segundo, era desenhado um “traço”. O telégrafo gravador de Morse provia, assim, um registro permanente das mensagens, que mais tarde podiam ser decodificadas à vontade. No decorrer de suas experiências, Morse descobriu que a corrente elétrica, depois de percorrer cerca de 20 milhas (cerca de 32 km), tornava-se demasiado fraca para operar o aparelho registrador. Trabalhando com Joseph Henry, desenhou um relé que repetiria os sinais automaticamente para outra seção da linha telegráfica. O principio está ilustrado abaixo. Quando a (1) chave de telégrafo é fechada, é enviada uma corrente ao longo das primeiras (6) 20 milhas da linha, que passa pela (5) bobina A e regressa à (7) bateria.
A corrente magnetiza a (2) estrutura de ferro do relé, e atrai a (3) armadura de ferro articulada que gira no sentido dos ponteiros do relógio, vencendo a atração da (8) mola. O movimento da armadura põe o (4) ponto B em contato elétrico com o ponto C, fechando assim o circuito que contém o segundo segmento de (6) 20 milhas de linha. A bateria deste circuito envia uma nova corrente através da segunda seção da linha, energizando desta maneira um segundo relé, na extremidade oposta. Deste modo, podem ser acrescentados circuitos para qualquer distância desejada. Em 1838, Morse fez uma demonstração do seu telégrafo perante o Presidente Van Buren e seu gabinete. Com rapidez, o Congresso votou uma lei em 1843, para que fosse construída uma linha entre Washington, D.C. e Baltimore, Maryland. A 24 de maio de 1844, Morse enviou o primeiro telegrama público, através de sua linha de 40 milhas de comprimento. Pouco tempo depois, o diretor dos correios concluiu que o brinquedo de Morse nunca iria render o suficiente para sua manutenção, e o governo retirou seu apoio. Entretanto, Morse obteve capital privado e estendeu a linha até Filadélfia e Nova Iorque em 1845. Na metade do século, cinqüenta companhias, usando as patentes telegráficas de Morse, estavam operando nos Estados Unidos. Por aquela época, Alfred Vail descobrira que os sinais telegráficos podem ser “lidos” pelos ruídos do relé no terminal receptor. Ele observou que a armadura produzia sons distintos para o ponto e o traço. Com prática, um operador podia decodificar as mensagens, meramente ouvindo o relé. Oportunamente, o vibrador ou “cigarra” de Morse veio a ser de uso generalizado. Até hoje ele sobrevive, virtualmente inalterado. O operador telegráfico foi uma parte indispensável do cenário norteamericano durante mais de meio século. Até ser deslocado pelas máquinas automáticas modernas, ele desempenhou seu estranho ofício, vital para o crescimento de uma nação que se espalhava pelo continente inteiro. Podia transmitir e receber até quarenta palavras por minuto, hora após hora, com um staccato de ruídos intermitentes. Sua habilidade, ao lado do telégrafo de Morse, tornara realidade o sonho das comunicações a longa distância. O
Primeiro Cabo Submarino As primeiras tentativas para lançar um cabo telegráfico submarino foram feitas em 1839 por um certo Dr. O’Shaughnessy, da East India Company. Algum tempo depois, Morre realizou experiências sob a baía de Nova Iorque, enviando sinais através de cabos recobertos com borracha e metidos em um cano de chumbo. Os resultados de tais testes levaram-no a concluir que a telegrafia através do Atlântico era perfeitamente possível. Aproximadamente ao mesmo tempo, Charles Wheatstone levou a cabo experiências bem sucedidas na Baía Swansea, em Gales. O
primeiro cabo submarino de grande extensão foi lançado em
1850, cruzando o Estreito de Dover. Dois irmãos, John
e Jacob Brett, obtiveram uma
concessão de 10 anos para lançar o cabo, e contrataram com a
Gutta-Percha Company a sua fabricação. O núcleo do cabo era um
único fio de cobre envolto em um isolador chamado guta-percha,
tendo este a espessura de um quarto de polegada. A guta-percha provém da goma de uma quantidade de árvores relacionadas, que são encontradas nas florestas da Malásia, Bornéu e Sumatra. O termo vem das palavras malaias getah percha, goma da percha (árvore). Ao contrário da borracha, ela não se distende, sendo bastante dura nas temperaturas normais. Toma-se mole como massa de vidraceiro, em contato com a água quente, revertendo à sua dureza original quando resfriada até à temperatura ambiente. Esta qualidade torna fácil moldar a guta-percha em torno de um fio, no processo de fabricação do cabo. Tal foi, então, a construção do primeiro cabo cruzando o Canal da Inglaterra — um delgado fio de cobre isolado por uma camada única de guta-percha. Os irmãos Brett presumiram que, uma vez que o cabo tivesse sido depositado no fundo do Canal, estaria perfeitamente seguro, e não necessitaria proteção adicional. Somente as extremidades, próximo do litoral, foram protegidas por uma cobertura externa de chumbo. A
28 de agosto de 1850, foi lançado o cabo entre Dover e Cap Gris
Nez, na França. Em meio de grande excitação, um impressor automático
foi ligado à linha para receber a mensagem de John Brett ao Príncipe
Luís Napoleão Bonaparte. Infelizmente, nada foi recebido senão
uma quantidade de sinais ininteligíveis. Um instrumento de agulha
foi tentado em lugar do impressor automático, com resultados
apenas ligeiramente melhores. Uma palavra aqui, outra palavra ali,
mas verdadeiramente nenhuma mensagem. 'Nasce'
uma nova indústria Cabos
cruzam o Atlântico A
demora foi bem utilizada pelo grande Wílliam
Thompson, que desde o início era um dos diretores da
companhia de Field. Thompson já tinha firmado sua reputação como
um dos grandes cientistas da época. Seus estudos convenceram-no de
que, se um detector de sinais de corrente extremamente sensível
fosse colocado no terminal de recepção do cabo, a velocidade de
sinalização poderia ser significativamente aumentada.
Podemos compreender por que os pulsos são deformados e “misturados” no diagrama, se fizermos aplicação do conhecimento sobre as ondas de seno, dos estudos sobre o som e a luz. Um pulso bem nítido de corrente, tal como os que se vêem na parte (a), consiste realmente de uma corrente alternativa em alguma freqüência fundamental, acompanhado por grande número de harmônicos (síntese de Fourier). As freqüências desses harmônicos são múltiplos da freqüência fundamental, exatamente como nas ondas de sons complexos. Se a freqüência fundamental for de 10 Hz, as freqüências harmônicas serão de 20, 30, 40, 50 Hz, etc. Quanto mais nítido o pulso (quanto 'mais quadrado' ele for), maior será o número de harmônicos que ele conterá. Quando um cabo simples é submerso em um meio condutor como a água salgada, verifica-se que as freqüências mais altas propagam-se mais rapidamente que as mais baixas (um fenômeno de dispersão). Assim, os harmônicos mais altos tendem a alcançar os harmônicos mais baixos do pulso anterior (aquele que está 'atrás' corre sobre aquele que está 'na frente', na ilustração acima). Pulsos individuais já não são mais de forma retangular, tendendo a alongar-se. Se for dado um intervalo insuficiente entre os pulsos, eles tenderão a juntar-se, como se indica em (b) na ilustração acima. Kelvin
propôs acelerar a velocidade de sinalização, utilizando um
detector de pulso sensível — que pudesse operar eficientemente
nas pequenas variações de corrente determinadas pelos pulsos
“misturados”. No
início de 1858, o grande empreendimento estava mais uma vez mais
em andamento. O cabo tinha sido dividido entre dois navios, o Niagara
e o Agamemnon. Depois de emendar o cabo no meio do Atlântico,
os dois navios começaram a lançá-lo ao mar, navegando em direções
opostas. Seguiu-se uma grande tempestade e, depois de três outros
acidentes, durante os quais o cabo se partiu, muito tempo e
grande quantidade de cabo haviam sido perdidos. Outra vez os navios
rumaram de volta para a Irlanda, derrotados. Assim que foram estabelecidas as comunicações utilizando o aparelho sensível de Thompson, Whitehouse, no terminal de Valentia, pôs na linha seu gravador automático patenteado. Embora a máquina funcionasse bem nas linhas curtas, não conseguia interpretar os pulsos fracos e distorcidos que saíam do cabo. Ele insistiu então em substituir as baterias de baixa tensão elétrica de Thompson por suas bobinas de centelha de 2000 volts. Embora o cabo fosse muito mal desenhado e fabricado com pouco cuidado, há poucas dúvidas de que uma tensão tão alta tenha apressado seu fim. Exatamente a última mensagem que passou pelo cabo informou a Cyrus Field, em Nova Iorque, que a companhia ainda não estava em condições de enviar as mensagens do governo dos Estados Unidos para a Inglaterra. Após um mês de união, os dois continentes estavam outra vez separados pelo Oceano Atlântico. Desta
vez, foram necessários sete anos para que Cyrus Field pusesse seu
projeto novamente em andamento. Foi desenhado um novo cabo, desta
vez com grande cuidado. Muitas amostras foram experimentadas, tanto
eletricamente, como mecanicamente. O novo cabo tinha um fio
condutor três vezes maior que o cabo de 1858, e era muito mais
pesadamente blindado. Tendo mais de "uma polegada de diâmetro,
pesava 1,75 toneladas por milha". O maior navio do mundo, o Great
Eastern, foi preparado para lançar o cabo. Tudo parecia pronto
para um assalto final bem sucedido ao teimoso Atlântico. Mas o
novo cabo, tão cuidadosamente desenhado, continha as sementes do
desastre. No princípio de 1866, Field levantara capital suficiente para uma nova tentativa. Imediatamente encomendou 1990 milhas de cabo, o qual foi desenhado para impedir uma repetição das dificuldades anteriores. O Great Eastern partiu mais uma vez, em 30 de junho de 1866. Dessa vez, a viagem foi sem incidentes, e o cabo, um sucesso completo. A 27 de julho de 1866, o Great Eastern atingiu Newfoundland com um cabo em comunicação direta com a Irlanda. O cabo podia transmitir 15 letras por minuto, e rendeu cinco mil dólares em seu primeiro dia de operação. As águas frias do Atlântico tinham finalmente começado a retribuir as fortunas que haviam sorvido durante a década anterior. Field embarcou imediatamente no Great Eastem para recuperar o cabo partido em 1865, a setecentas milhas de distância. No fim de agosto, o cabo tinha sido recuperado, içado para bordo e emendado. Pela primeira vez na história, um navio mantinha contato ao mesmo tempo com a Europa e a América do Norte. O Great Eastem estava em comunicação com a Inglaterra, através do cabo reparado, e a Inglaterra podia comunicar-se com a América por meio do cabo lançado em 1866. A despeito de uma tremenda tempestade, o Great Eastem estabeleceu seu segundo cabo transatlântico, apenas quatro semanas após o primeiro. Desde aquela época, os Estados Unidos e a Europa jamais ficaram sem comunicações por mais de umas poucas horas, de cada vez. Chegara finalmente a era das "rápidas comunicações globais". segue Eletricidade posta a trabalhar - Parte 10 ... Os fios aprendem a falar
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