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Eletricidade posta a trabalhar
(Parte 12)

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

Ele decidiu tentar ... a descarga oscilatória
Em meado de 1886, Hertz observou um efeito que lhe deu um ponto de partida no caminho certo. Seu aparelho está ilustrado abaixo.


Aparelho de Hertz para induzir uma centelha
em um circuito secundário

Um pedaço de fio de cobre foi curvado na forma de um retângulo, de tal maneira que as extremidades do fio em A ficassem separadas por uma folga muito pequena. Este retângulo foi colocado perto de uma bobina de indução que podia produzir uma descarga de centelha quando o interruptor fosse operado. Hertz descobriu que uma centelha secundária era induzida na brecha A, sempre que uma centelha fosse produzida no circuito primário que continha a bobina de indução. Hertz descobrira uma maneira de detectar os fenômenos elétricos a uma certa distância de sua fonte.

Hertz observou também que a intensidade da centelha secundária dependia das dimensões do retângulo. Um certo tamanho específico deu a centelha mais intensa. Se o retângulo fosse ligeiramente maior ou menor, a centelha tomava-se mais fraca. Isto é um exemplo de ressonância elétrica, uma propriedade muito importante dos circuitos de corrente alternada.

A natureza das centelhas
Antes de podermos compreender a importância da ressonância elétrica na experiência de Hertz, devemos considerar a natureza de uma descarga de centelha. Suponhamos um circuito como o apresentado na ilustração abaixo (a), consistindo de um vaso de Leyden ou 'condensador', uma bobina de indução e uma abertura de centelha formada por duas esferas.


Comprovação da natureza ondulatória da descarga por centelha

Carreguemos agora o capacitor, ligando-o momentaneamente a uma fonte de alta tensão. À medida que aproximamos as duas esferas uma da outra, a tensão existente entre as placas do 'condensador' provoca subitamente uma descarga de centelha na abertura. Quando Hertz realizou esta experiência, descobriu uma propriedade interessante da centelha. A corrente que produziu o fenômeno visível não fluía continuamente em uma direção; oscilava de um lado para o outro da abertura, durante a passagem da centelha. Permanecia assim até que toda energia elétrica se dissipasse. Ali estava um fenômeno elétrico análogo ao movimento de um pêndulo.

A natureza oscilatória da descarga de uma centelha pode ser provada cortando o fio em um ponto qualquer, conforme se vê na parte (b) do diagrama, e inserindo um pedaço de papel mata-borrão embebido em uma solução de iodeto de potássio, misturada com amido. A corrente oscilatória deve agora passar pelo papel mata-borrão, da mesma maneira que pelas outras partes do circuito. Quando a corrente passa pelo iodeto de potássio, a eletrólise resultante libera iodo no elétrodo positivo. O iodo dá ao amido uma coloração azul intensa. Se a corrente se deslocar apenas em um sentido, a região do papel mata-borrão que ficar mais próxima do terminal positivo deve tornar-se azul, enquanto que a outra ponta do papel não deve apresentar nenhuma modificação de cor. Mas a experiência mostra que o amido torna-se azul nas proximidades de ambos os terminais que o põem em contato com o circuito. Portanto, a corrente não é unidirecional, mas oscila de um lado para o outro, através do circuito e da descarga da centelha. Uma centelha é uma corrente alternada acompanhada de uma incandescência.
Os modernos equipamentos detetores, osciloscópio por exemplo, mostram que pode haver muitos milhares de oscilações em uma única descarga de centelha, a qual normalmente dura menos de um milésimo de segundo. O número de oscilações por segundo, nessas descargas — a freqüência da corrente — é  medido em milhões de ciclos por segundo.

Ressonância
De acordo com a experiência de Hertz, o importante sobre a descarga de uma centelha é que ela é uma corrente alternativa de freqüência enormemente grande. Sabemos agora que esta circunstância feliz mostrou-lhe a conveniência do uso da ressonância elétrica para construir um dispositivo sensível que captasse as ondas eletromagnéticas.

A ressonância elétrica é análoga à ressonância acústica. Suponhamos que dispomos de duas cordas de violino esticadas de tal maneira que ambas produzem a mesma nota. Se uma for puxada, permanecendo a outra em repouso, as ondas sonoras atravessam o ar e fazem a segunda corda vibrar por sua própria conta. As cordas são ressonantes uma com a outra. Esse estado de ressonância desaparece se as cordas forem sintonizadas em freqüências naturais diferentes. A ressonância é seletiva de freqüência.

O circuito auxiliar detetor ilustrado à direita da ilustração de abertura desse texto, tinha as dimensões exatamente adequadas — cerca de 2 pés de cada lado — para entrar em ressonância com a corrente alternativa que passava pela descarga da centelha. À medida que a corrente do circuito primário oscilava para um lado e para o outro, ela induzia correntes correspondentes no circuito secundário. Devido à ressonância, as correntes oscilatórias deste último circuito aumentavam rapidamente de magnitude, até surgir uma centelha na abertura de ar do circuito.

A corrente oscilatória em um circuito auxiliar detetor igual ao usado por Hertz é centenas de vezes maior que para um circuito auxiliar não ressonante. Se ele não tivesse feito uso da ressonância, é duvidoso que pudesse ter prosseguido com suas experiências posteriores. Não teria havido nenhuma centelha visível no circuito auxiliar detetor e, portanto, não haveria nenhum aparelho sensível para receber as fracas ondas eletromagnéticas que sua centelha era capaz de gerar.

A descoberta das ondas de rádio
A descoberta feita por Hertz de que podem ser provocadas centelhas na abertura de um circuito secundário, desde que este tenha as dimensões necessárias para entrar em ressonância, foi a chave de seus sucessos posteriores. Dispondo de um detetor adequado de ondas eletromagnéticas, ele estava agora em condições de testar a teoria de Maxwell por meios diretos.

Seu equipamento básico está ilustrado abaixo.


Aparelho de Hertz usado para transmitir e
receber ondas de rádio

O “condutor primário” — ou antena, como diríamos hoje — consistia de duas placas quadradas de latão, de cerca de 40 centímetros (aproximadamente 16 polegadas) de lado, ligadas por um fio de cobre de 60 centímetros (cerca de 2 pés) de comprimento. Na metade do fio havia uma abertura de centelha, na qual oscilações de centelha eram produzidas por poderosas descargas de uma bobina de indução. O condutor foi colocado a 1,5 metros (cerca de 9 pés) acima do piso, com o plano das placas na vertical. O circuito secundário era igual ao que já foi descrito — um fio de comprimento adequado, curvado para formar um circuito quase fechado. Suas dimensões foram cuidadosamente escolhidas, de maneira que sua freqüência natural de oscilação fosse a mesma do circuito primário. Os dois circuitos estavam em ressonância elétrica.

As placas de latão do circuito primário são realmente as duas placas de um vaso de Leyden modificado, tendo o ar entre elas no papel de dielétrico. Devido ao espaçamento relativamente grande, o campo elétrico entre eles estende-se por uma grande região, em vez de confinar-se a um espaço estreito, como no caso de um capacitor comum. Este arranjo garante que a antena irradie uma grande quantidade de sua energia sob a forma de ondas eletromagnéticas, a cada oscilação da corrente entre as placas.

Cada vez que é produzida uma centelha no aparelho ilustrado acima, passa uma corrente oscilatória na abertura do primário. Isto significa que a corrente modifica muitos milhões de vezes por segundo o sentido de seu fluxo na abertura. Significa também que a carga em cada terminal da abertura modifica-se de positivo para negativo na mesma razão. A carga nos terminais da abertura passa para cada placa de latão, dando-lhe uma carga de polaridade correspondente. Assim, a carga nas placas modifica-se de positivo para negativo em uma razão igual à freqüência da descarga oscilante da centelha. Finalmente, uma corrente alternativa deve passar em cada fio de ligação, para efetuar as mudanças na carga elétrica sobre as placas. Assim, o condutor primário de Hertz, ou antena, experimenta uma corrente oscilatória que faz a carga em cada placa de latão mudar continuamente de positiva para negativa, em uma razão extremamente rápida.

Esta carga elétrica gera um campo elétrico devido à sua presença nas placas, e um campo magnético, devido ao seu movimento. Ambos os campos variam continuamente em 'força' e sentido, devido ao movimento oscilatório da carga elétrica. Durante cada oscilação, as linhas de força elétricas movem-se para fora, no espaço circundante, como na ilustração abaixo.


Propagação das ondas de rádio

Quando a carga em cada placa atinge sua maior magnitude, as linhas param de deslocar-se para fora, passando a apresentar a tendência de contrair-se para dentro, em sentido à antena. Mas as linhas de força externas contraem-se de tal maneira que suas partes tocam umas às outras, a alguma distância da antena. A porção de cada uma dessas linhas de força que fica mais distante da antena toma a forma de uma figura fechada. À medida que o resto da linha de força contrai-se em sentido à antena, tal figura toma-se mais destacada, e é propagada para fora, como uma onda eletromagnética ou de rádio. Quando esses campos se afastam da antena, tornam-se cada vez mais amplos, expandindo-se para abranger todo o espaço através do qual podem propagar-se.

Ondas de rádio desta espécie foram detetadas por Hertz a alguma distância da antena, como campos elétricos e magnéticos em contínua variação. Ele provou que elas se deslocam a uma velocidade quase igual à da luz. Podem ser refletidas, refratadas ou polarizadas. Ele as enviou através de uma abertura feita em uma grande folha de metal, e descobriu que eram difratadas ou “desviadas em direção à sombra”, exatamente como acontece com a luz, quando passa por uma fenda estreita. As descobertas de Hertz não deixaram dúvida de que as equações de Maxwell constituíam uma descrição matemática verdadeira da luz e de outras formas de radiação eletromagnética. Ele mostrou que a luz e as ondas de rádio obedecem a princípios idênticos, diferindo apenas nas freqüências muitíssimo maiores, que são uma característica da luz. Ambas consistem de campos elétricos e magnéticos que são propagados pelo espaço de acordo com as equações de Maxwell.

As experiências de Hertz tornaram claro também que as direções dos campos elétricos e magnéticos formam ângulos retos umas com as outras, e que ambas formam ângulos retos com a direção de deslocamento da onda. Para compreender o porquê, consideremos a antena vertical ilustrada abaixo.


Uma antena irradiando ondas eletromagnéticas

Um observador colocado à direita do diagrama detecta um campo elétrico que faria uma pequena carga positiva deslocar-se na direção vertical. Similarmente, o campo magnético faria um pólo norte magnético deslocar-se para sua esquerda, fora do plano do papel. Se ele estiver suficientemente afastado da antena, ambos os movimentos constituiriam essencialmente linhas retas. Sob tais condições, a radiação é chamada de onda eletromagnética plana. Como as ondas propagam-se pelo espaço, elas se aproximam do observador em uma direção perpendicular ao plano dos campos elétrico e magnético. Diz-se que a onda é “verticalmente polarizada” se o campo elétrico exercer forças na direção vertical, e “horizontalmente polarizada”, se o campo elétrico estiver na direção horizontal.

Segue Parte 13 ... o coesor e suas variantes

 


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