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Eletricidade posta a trabalhar
(Parte 10)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Os fios aprendem a falar
Muitas descobertas científicas e importantes invenções foram feitas por acidente, mas Alexander Graham Bell sabia exatamente o que estava fazendo, quando desenhou o primeiro telefone. A idéia ocorreu-lhe no meado de 1874. Declarou ele mais tarde:

“Se eu pudesse fazer uma corrente elétrica variar de intensidade, precisamente como o ar varia de densidade durante a propagação do som, eu conseguiria transmitir a palavra telegraficamente.”

Bell sabia que os sons complexos da fala formam um padrão de pressão que varia rápida e continuamente, e que se afasta da pessoa que fala em todas as direções. À medida que essas variações de pressão, durante sua propagação, dão de encontro a um corpo colocado próximo à pessoa que fala, o corpo experimenta forças que variam de maneira correspondente. A nova idéia de Bell era utilizar essas forças delicadas para gerar uma corrente que varia no decurso do tempo exatamente da maneira que varia a pressão. Em linguagem moderna diríamos que ele precisava de um 'transdutor', no caso, um dispositivo que convertesse a energia mecânica das variações de pressão sonora em energia elétrica.

O primeiro instrumento de Bell baseou-se no eletromagnetismo, o qual foi empregado tanto para transmissor como para receptor. Seu princípio de operação está ilustrado abaixo.


Primitivo transmissor e receptor telefônico de Bell

Um ímã permanente exerce uma tensão mecânica sobre um diafragma de ferro. Uma caixa de plástico (que não aparece na ilustração) impede o diafragma de entrar em contato direto com os pólos do ímã. Quando as variações de pressão produzidas pela fala alcançam o diafragma, produzem neste um movimento correspondente, para frente e para trás. Essas vibrações do diafragma produzem variações correspondentes na distância entre os pólos e o diafragma, o que, por sua vez, provoca variações no campo magnético do ímã. O campo magnético variável induz então uma força eletromotriz também variável nas bobinas, a qual é uma cópia elétrica exata das variações de pressão originais.

Quando usado como receptor, a seqüência de operações é invertida. A força eletromotriz variável proveniente de um transmissor distante envia uma corrente correspondente através da linha do telefone e das bobinas do receptor. Esta corrente variável modifica a força do campo magnético que está atuando sobre o diafragma. Este se desloca mais para dentro ou mais para fora, em resposta às variações do campo magnético e gera ondas sonoras que reproduzem os sons originais.
Os primeiros sons da fala foram transmitidos por fio em 3 de junho de 1875.

Amplificando os sons da fala
Os primeiros transmissores de Bell baseavam-se em princípios científicos corretos, mas produziam correntes elétricas demasiado fracas para efeitos práticos. Em seu transmissor eletromagnético, somente uma pequena quantidade de energia das ondas sonoras podia ser convertida em energia elétrica. Necessitava-se de um método para aumentar ou amplificar a corrente elétrica. Assim sendo, o que se procurava era encontrar meios para controlar a corrente de uma bateria, de acordo com as variações de pressão da fala. Em vez de mero conversor de energia, um transmissor deveria ser, então, uma espécie de válvula; um dispositivo que podia usar uma pequena quantidade de energia acústica para controlar uma quantidade relativamente grande de energia elétrica proveniente da energia química de uma bateria.

O moderno transmissor de telefone foi inventado de acordo com estas idéias por Henry Hunnings, clérigo inglês, em 1878. A característica essencial do transmissor é representada por uma quantidade de grãos de carbono acondicionados à vontade, como se vê no diagrama abaixo.


Transmissor telefônico de grânulos de carvão

Os terminais da linha telefônica são ligados ao diafragma e à placa de metal, conforme se pode ver. Uma corrente contínua passa normalmente entre diafragma e placa, através das partículas de carbono não comprimidas, e através da linha telefônica, até o receptor colocado à distância. Na operação normal, as ondas sonoras chocam-se contra o transmissor e o diafragma vibra para frente e para trás. Quando ele se desloca para a direita (conforme ilustração), os grãos ficam mais comprimidos, e a corrente aumenta proporcionalmente. Quando se desloca para a esquerda, os grãos ficam mais soltos, e a corrente é reduzida. A pequena quantidade de energia sonora da onda que se choca contra o diafragma é utilizada simplesmente para controlar uma quantidade muito maior de energia elétrica proveniente de uma bateria. Os transmissores dos telefones modernos, funcionando sob este princípio, produzem uma amplificação correspondente a mil vezes os sons da fala original que alcançam o diafragma.

Capacitância
Desenvolvendo-se o serviço telefônico, tornou-se aparente que as linhas telefônicas teriam que ser melhoradas significativamente, antes que pudesse ser prestado um serviço eficiente. Descobriu-se que as linhas comuns, constituídas por dois fios elevados, produziam uma grande e inesperada redução na corrente do sinal. A corrente no terminal de recepção era muito mais fraca do que se podia prever, com base na lei de Ohm. Ficou também claro que as partes da corrente de voz que tinham freqüências mais elevadas eram reduzidas ou atenuadas em grau mais elevado do que as partes que tinham freqüência mais baixa.
A razão para este comportamento das linhas telefônicas foi esclarecida pela primeira vez por Oliver Heaviside, físico inglês, que se tornou famoso mais tarde devido aos seus trabalhos sobre radiocomunicações a longa distância.

Uma linha telefônica (dois longos fios isolados e separados pelo ar) é como um vaso de Leyden ou um capacitor (à época, era denominado 'condensador'), no sentido de que há necessidade de uma considerável quantidade de 'eletricidade' para “enchê-la”. Ela tem uma grande 'capacidade para a eletricidade'. O termo moderno que designa esta propriedade é "capacitância", grandeza física inerente ao capacitor e que indica quanto de carga elétrica ele (o par de fios, no caso) pode armazenar quando submetidos a uma diferença de potencial elétrico, ou seja, uma tensão elétrica.
Se uma tensão elétrica U for aplicada a um par de condutores e aparecer neles (armazenado) uma carga elétrica de Q coulombs, sua capacitância C será expressa por:

C = Q/U

A capacitância é medida em farad (símbolo, F), em homenagem a Michael Faraday, o grande cientista inglês. O valor da capacitância aumenta, ou seja, sua capacidade de armazenar cargas elétricas, quando os condutores são colocados mais próximos um do outro. Heaviside demonstrou teoricamente que a atenuação de uma linha telefônica podia ser reduzida se fosse descoberto algum meio de contrabalançar o efeito de capacitância inerente na construção da linha. Isto levou ao estudo de um efeito diferente, já percebido, e que foi descoberto independentemente por Joseph Henry e, mais tarde, por Faraday. O efeito é chamado de “auto-indução” ou “indutância”.

Indutância
Henry observou em 1829 que tensões elétricas extremamente elevadas podem ser produzidas de modo muito simplesmente, usando com uma bateria de baixa tensão e um pedaço de fio enrolado na forma de uma bobina. Consideremos o circuito ilustrado abaixo:


Constatação dos efeitos da auto-indução

Quando o interruptor é fechado, desenvolve-se uma corrente na bobina que alcança uma magnitude constante, determinada pela lei de Ohm. Produz-se então um campo magnético constante no interior e em torno da bobina. Quando o interruptor é aberto, o campo começa a cair para zero. Ao fazê-lo, as linhas de força magnéticas passam pelas espiras da bobina e induzem nela uma força eletromotriz. Diz-se que essa tensão é auto-induzida e tende a manter a corrente circulando. É como se uma inércia elétrica tendesse a manter o fluxo da corrente por um breve período, mesmo depois de ter sido aberto o interruptor. Se a bobina tiver muitas voltas, sua auto-indução produzirá tensão suficiente para estalar uma faísca entre os terminais do interruptor quando eles são afastados. Esta propriedade dos fios e das bobinas, semelhante à inércia mecânica, é chamada de "indutância" ou "auto-indução".

Ocorre um efeito correspondente quando o interruptor é fechado outra vez. À medida que a corrente começa a percorrer a bobina, induz nela uma tensão. Como anteriormente, essa tensão tende a opor-se a qualquer alteração na corrente que atravessa a bobina, exatamente como a inércia mecânica tende a opor-se à mudança de velocidade de um automóvel em movimento. A indutância da bobina reduz a rapidez com que se desenvolve a corrente na bobina. Quanto maior a indutância, tanto mais tempo levará a corrente para desenvolver-se até atingir sua magnitude constante.

A indutância é medida em unidades chamadas henry (símbolo, H).
Um condutor ou uma bobina têm uma indutância de 1 henry quando uma corrente que está variando à razão de 1 ampère por segundo produz uma tensão auto-induzida de 1 volt entre seus terminais.
Todos os condutores têm alguma indutância, mas um fio enrolado, formando uma bobina, tem muito mais indutância do que teria como um fio esticado.

Linhas sobrecarregadas
Heaviside mostrou teoricamente que as linhas telefônicas então em uso podiam ser melhoradas pela redução de sua capacitância ou aumento de sua indutância, ou por ambos os processos. A capacitância podia ser reduzida simplesmente aumentando o espaçamento entre os dois fios, mas a indutância apresentava um problema mais difícil.
A solução foi encontrada por Michael Pupin, professor da Universidade Columbia, de Nova Iorque. Ele nada mais fez que acrescentar bobinas de fio, intervaladas ao longo da linha. Essas bobinas, ligadas em série com a linha, aumentavam a indutância de uma quantidade suficiente para dobrar a distância em que podia ser utilizada a linha. Elas são chamadas “bobinas de sobrecarga”, e as linhas que as contêm são “linhas sobrecarregadas”. O sobre-carregamento das linhas telefônicas ilustra dramaticamente as vantagens de ter a teoria e a prática trabalhando de mãos dadas.

A quantidade excessiva de capacitância é consideravelmente maior nos cabos submarinos do que nas linhas terrestres. Para compreender o porque, imaginemos um único fio isolado suspenso por postes sobre a terra. A capacitância entre o fio e a terra é relativamente pequena, devido à grande distância existente entre um e a outra. Imaginemos agora o mesmo fio isolado imerso em água salgada. O condutor interno pode ser considerado como uma das placas de um capacitor, sendo a água condutora a outra. Como os dois encontram-se bastante próximos, o cabo tem uma grande capacitância e seu desempenho na transmissão de informações elétricas é pobre.

Não obstante, as equações de Heaviside mostraram aos engenheiros exatamente a quantidade de indutância que devia ser acrescentada para contrabalançar a capacitância e melhorar o desempenho. De fato, por meio de ajustamentos adequados, a indutância e a capacitância podem ser perfeitamente equilibradas, produzindo o que Heaviside chamou de “linha sem distorção”, na qual todas as freqüências propagam-se com a mesma velocidade, e sofrem a mesma quantidade mínima de atenuação.
Devida à dificuldade de inserir bobinas em um cabo submarino, o sobre-carregamento era normalmente feito enrolando um fio ou fita de ferro em torno do condutor interno, aumentando assim sua indutância.

A descoberta de Heaviside tornou possível a telefonia submarina a distâncias de algumas centenas de milhas. O sobre-carregamento indutivo foi também utilizado subseqüentemente, nos cabos telegráficos aumentando grandemente sua velocidade de sinalização e, conseqüentemente, a quantidade de tráfego que podiam veicular. Um cabo telegráfico sobrecarregado através do Atlântico pode operar com velocidade cinco vezes maior que um não sobrecarregado e oferece assim um potencial de lucro cinco vezes maior.

Com a invenção do telefone e com o sucesso dos cabos telegráficos submarinos, poderia parecer um problema simples o lançamento de um cabo telefônico através do Atlântico. Não obstante, a primeira comunicação por fonia através desse oceano ocorreu quase meio século antes que o primeiro cabo telefônico transatlântico fosse completado entre Oban, na Escócia, e Clarenville, Newfoundland, em 1956. Três grandes homens de ciência, Maxwell, Hertz e Marconi, descobriram um meio de projetar no espaço, a grande distância, os campos eletromagnéticos de Faraday, carregando com eles as correntes de telegrafia, e mais tarde, a voz humana. De fato, foi o rádio que forneceu o know-how tecnológico que tornou praticável a telefonia submarina a longa distância.

Até mesmo os melhores cabos telefônicos fornecem correntes fracas para um receptor situado a duzentas milhas de distância. O reforço dos pulsos enfraquecidos de um sinal telegráfico por meio do relé de Morse, ou repetidor, tinha sido um problema simples, mas foi necessário esperar pela invenção da válvula de rádio para fazer a mesma coisa com as correntes de voz. O primeiro cabo telefônico transatlântico utilizou amplificadores eletrônicos espaçados de 40 milhas no fundo do oceano. Sem essas amplificações, as correntes cairiam abaixo do nível mínimo de audição, depois de centenas de milhas. O cabo telefônico tomou emprestado do campo do rádio outra técnica igualmente importante.

Em vez de uma só conversação em fonia, o primeiro cabo foi desenhado para permitir trinta e seis conversações telefônicas ao mesmo tempo, utilizando o mesmo fio. Esta mágica eletrônica é meramente uma aplicação simples do mesmo princípio de sintonização que nos permite selecionar qualquer estação de rádio que desejarmos, escolhendo-a no ar congestionado de ondas. O significado disso é que, quando falamos em um transmissor telefônico, não são as correntes de voz do referido transmissor que são alimentadas no cabo. Em vez disso, elas são usadas para controlar um dentre trinta e seis dispositivos que são, na realidade, pequeninos rádio-transmissores. A saída desses transmissores alimenta no cabo o equivalente a trinta e seis conversações. Cada transmissor é sintonizado em uma freqüência ligeiramente diferente, de tal maneira que as trinta e seis conversações podem ser separadas por igual número de rádio-receptores, na outra extremidade. A única diferença essencial entre a verdadeira radiocomunicação e os métodos empregados no cabo é o meio de transmissão. As ondas de rádio são projetadas no espaço, enquanto que os cabos telefônicos orientam seus sinais ao longo de um fio. As muitas conversações não sofrem mais interferências recíprocas do que a multidão de programas não relacionados que entra em nosso aparelho de rádio.

Para aprender como puderam acontecer essas maravilhas, devemos voltar aos campos elétrico e magnético de Faraday, e descobrir o papel dramático que deviam desempenhar na busca interminável do conhecimento que o homem empreende. Esses 'campos de força' invisíveis transformaram-se em conceitos fundamentais sobre os quais repousa grande parte da Ciência. Eles transportam a voz humana ao redor do mundo e, com sua ajuda, os cientistas descobriram um importante e jamais sonhado cinturão de 'eletricidade' no céu.

Segue Parte 11 ... Maxwell

 


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