História da Eletricidade

Foi descoberta por um filosofo grego chamado Tales de Mileto que, ao esfregar um âmbar a um pedaço de pele de carneiro, observou que pedaços de palhas e fragmentos de madeira começaram a ser atraídas pelo próprio âmbar.

Do âmbar (gr. élektron) surgiu o nome eletricidade.

No século XVII foram iniciados estudos sistemáticos sobre a eletrificação por atrito, graças a Otto von Guericke. Em 1672, Otto inventa uma maquina geradora de cargas elétricas onde uma esfera de enxofre girava constantemente atritando-se em terra seca. Meio século depois, Stephen Gray faz a primeira distinção entre condutores e isolantes elétricos.

Durante o século XVIII as maquinas elétricas evoluem até chegar a um disco rotativo de vidro que é atritado a um isolante adequado. Uma descoberta importante foi o condensador, descoberto independentemente por Ewald Georg von Kleist e por Petrus van Musschenbroek. O condensador consistia em uma maquina armazenadora de cargas elétricas. Eram dois corpos condutores separados por um isolante delgado.

Mas uma invenção importante, de uso pratico, foi o pára-raios, feito por Benjamin Franklin. Ele disse que a eletrização de dois corpos atritados era a falta de um dos dois tipos de eletricidade em um dos corpos.

Esses dois tipos de eletricidade eram chamadas de eletricidade resinosa e vítrea. Hoje se sabe que a eletrização se dá por falta ou excesso de elétrons em corpos.

No século XVIII foi feita a famosa experiência de Luigi Aloisio Galvani em que potenciais elétricos produziam contrações na perna de uma rã morta. A descoberta dos potenciais elétricos foi atribuída por Alessandro Volta que inventou a voltaica. Ela consistia em um serie de discos de cobre e zinco alterados, separados por pedaços de papelão embebidos por água salgada. Com essa invenção, obteve-se pela primeira vez uma fonte de corrente elétrica estável. Por isso, as investigações sobre a corrente elétrica aumentaram cada vez mais.

Tem início as experiências com a decomposição da água em um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio. Em 1802, Humphry Davy separa eletronicamente o sódio e o potássio.

Mesmo com a fama das pilhas de Volta, foram criadas pilhas mais eficientes. John Frederic Daniell inventou-as em 1836 na mesma época das pilhas de Georges Leclanché e a bateria recarregável de Raymond Louis Gaston Planté.

O físico Hans Christian Örsted observa que um fio de corrente elétrica age sobre a agulha de uma bússola. Com isso, percebe-se que há uma ligação entre magnetismo e eletricidade (tem início o estudo do eletromagnetismo).

Em 1831, Michael Faraday descobre que a variação na intensidade da corrente elétrica que percorre um circuito fechado induz uma corrente em uma bobina próxima. Uma corrente induzida também é observada ao se introduzir um ímã nessa bobina. Essa indução magnética teve uma imediata aplicação na geração de correntes elétricas. Uma bobina próxima a um ima que gira é um exemplo de um gerador de corrente elétrica alternada.

Os geradores foram se aperfeiçoando até se tornarem as principais fontes de suprimento de eletricidade empregada principalmente na iluminação.

Em 1875 é instalado um gerador em Gare du Nord, Paris, para ligar as lâmpadas de arco da estação. Foram feitas maquinas a vapor para movimentar os geradores, e estimulando a invenção de turbinas a vapor e turbinas para utilização de energia hidrelétrica. A primeira hidrelétrica foi instalada em 1886 junto as cataratas do Niágara.

Para se distribuir a energia, foram criados inicialmente condutores de ferro, depois os de cobre e finalmente, em 1850, já se fabricavam os fios cobertos por uma camada isolante de guta-percha vulcanizada, ou uma camada de pano.

A Publicação do tratado sobre eletricidade e magnetismo, de James Clerk Maxwell, em 1873, representa um enorme avanço no estudo do eletromagnetismo. A luz passa a ser entendida como onda eletromagnética, uma onde que consiste de campos elétricos e magnéticos perpendiculares à direção de sua propagação.

Heinrich Hertz, em suas experiências realizadas a partir de 1885, estuda as propriedades das onde eletromagnéticas geradas por uma bobina de indução; nessas experiências observa que se refletidas, refratadas e polarizada, do mesmo modo que a luz. Com o trabalho de Hertz fica demonstrado que as ondas de radio e as de luz são ambas ondas eletromagnéticas, desse modo confirmando as teorias de Maxwell; as ondas de radio e as ondas luminosas diferem apenas na sua freqüência.

Hertz não explorou as possibilidades práticas abertas por suas experiências. Mais de dez anos se passaram até que Guglielmo Marconi utilizou as ondas de radio no seu telegrafo sem fio. A primeira mensagem de radio é transmitida através do Atlântico em 1901. Todas essas experiências vieram abrir novos caminhos para a progressiva utilização dos fenômenos elétrico sem praticamente todas as atividades do homem.

Fonte: www.forp.usp.br

História da Eletricidade

A história da eletricidade teve início começando por Benjamin Franklin até os dias de hoje. Os Sistemas de Potência, como hoje são conhecidos, têm pouco mais de 100 anos. Por volta de 1876 não se sabia como transmitir a energia elétrica gerada.

De maneira resumida, os fatos marcantes da evolução dos sistemas de potência se concentram na época da realização da concorrência para a construção do complexo de Niagara Falls, o maior do mundo de então, que se iniciou em 1876. A evolução dos conceitos sobre os sistemas de potência foi marcante dentro de um período de 15 anos, praticamente definindo as características dos sistemas como hoje se apresentam.

Em 1880, Thomas Alva Edson apresenta sua lâmpada incandescente (em corrente contínua), a mais eficiente de então. Nessa época, na Europa, havia avanços na utilização de corrente alternada. Em 1882, Edson coloca em funcionamento um sistema de corrente contínua em Nova York e funda a empresa Edison Electric Company. Em 1885, George Westinghouse Jr. compra os direitos da patente de Goulard-Gibbs para construir transformadores de corrente alternada e encarrega William Stanley dessa tarefa. Em 1886, já há cerca de 60 centrais de corrente contínua (Edison) com cerca de 150.000 lâmpadas. Na mesma época, Stanley coloca em operação a primeira central em corrente alternada (Westinghouse) em Great Barrington, Massachusetts. Os sistemas de corrente alternada se multiplicaram rapidamente e, já em 1887, existiam cerca de 121 sistemas desse tipo em funcionamento, com cerca de 325.000 lâmpadas. Entre as novas empresas, se destacam a empresa do próprio Westinghouse que cresce contabilizando 125.000 lâmpadas em corrente alternada.

História da Eletricidade
Subestação de Energia Elétrica isolada por tubulações
de gás isolante (SF6) e vista do eixo do rotor de uma das turbinas;
Hidrelétrica de Itaipu – Foz do Iguaçu – PR – Brasil

A medição da energia elétrica consumida começa a ser um problema importante para os sistemas de corrente alternada. Para os sistemas de corrente contínua, existia medidores do tipo eletroquímico. Assim, os sistemas em corrente alternada cobravam por “número de lâmpadas”. A solução do problema se deu com Shallenberger, então engenheiro chefe de Westinghouse, que coloca em funcionamento um medidor de energia em corrente alternada que dava uma leitura direta de quanta energia havia sido consumida e, portanto, superior ao medidor eletroquímico de Edison.

Um desenvolvimento fundamental se deu quando da publicação, por Nikola Tesla, de um artigo em que mostrava que seria possível construir um motor em corrente alternada. Westinghouse compra a patente de Tesla e contrata seus serviços para desenvolver o motor, que só ficará pronto em 1892, e neste mesmo ano entra em funcionamento o primeiro motor de indução de Tesla.

A comissão responsável pela concorrência pública para a licitação das obras de Niagara Falls decide que o sistema será em corrente alternada. Enquanto isso, na Alemanha, é colocado em funcionamento um sistema de 100 HP (74,6 kW) com transmissão de 160 km, em corrente alternada, 30.000 V. A empresa de Edison, a Edson General Electric Company, junta-se com a Thomson-Houston, formando a General Electric que passa a produzir em larga escala transformadores e alternadores.

Em 1896, a Westinghouse ganha a concorrência para fornecer os alternadores e transformadores de Niagara Falls que entra em funcionamento em 1896.

Fonte: www.sel.eesc.sc.usp.br

História da Eletricidade

Do âmbar (gr. élektron) surgiu o nome eletricidade. No século XVII foram iniciados estudos sistemáticos sobre a eletrificação por atrito, graças a Otto von Guericke. Em 1672, Otto inventa uma maquina geradora de cargas elétricas onde uma esfera de enxofre gira constantemente atritando-se em terra seca. Meio século depois, Stephen Gray faz a primeira distinção entre condutores e isolantes elétricos

Âmbar é um mineral translúcido, quase amarelo. Próximo do ano 600 AC., os gregos descobriram uma peculiar propriedade deste material: quando esfregado com um pedaço de pelo de animal, o âmbar desenvolve a habilidade para atrair pequenos pedaços de plumas. Por séculos essa estranha e inexplicável propriedade foi associada unicamente ao âmbar.

Dois mil anos depois, no século XVI, William Gilbert provou que muitas outras substâncias são “elétricas” (palavra originária do termo em grego para âmbar, elektron) e que elas podem apresentar dois efeitos elétricos. Quando friccionado com peles o âmbar adquire uma “eletricidade de resina”, entretanto o vidro quando friccionado com a seda adquire o que eles chamaram de “eletricidade vítrea”, o que eles descobriram foram as cargas positivas e negativas. Eletricidade repele o mesmo tipo e atrai o tipo oposto.

Cientistas pensavam que a fricção realmente criava a eletricidade, porém eles não notavam que uma igual quantidade de eletricidade oposta ficava na pele ou na seda.

Em 1747, Benjamin Franklin na América e William Watson (1715-1787) na Inglaterra independentemente chegaram a mesma conclusão: todos os materiais possuem um tipo único de “fluido elétrico” que pode penetrar no material livremente, mas que não pode ser criado e nem destruído. A ação da fricção simplesmente transfere o fluido de um corpo para o outro, eletrificando ambos. Franklin e Watson introduziram o princípio da conservação de carga : a quantidade total de eletricidade em um sistema isolado é constante.

Franklin definiu o fluido, que correspondia a eletricidade vítrea, como positiva e a falta de fluido como negativo. Portanto, de acordo com Franklin, a direção do fluxo (corrente) era do positivo para o negativo, porém atualmente sabe-se que o oposto é vem a ser verdade. Uma segunda teoria com base no fluido foi desenvolvida, subseqüentemente, na qual amostras do mesmo tipo se atraem, enquanto aquelas de tipos opostos se repelem

Força elétrica

Já era conhecido em 1600 que a força repulsiva ou atrativa diminuía quando as cargas eram separadas. Essa relação foi primeiro abordada de uma forma numericamente exata, ou quantitativa, por Joseph Priestley, um amigo de Benjamin Franklin. Em 1767, Priestley indiretamente deduziu que quando a distância entre dois pequenos corpos carregados é aumentada por um fator, as forças entre os corpos são reduzidas pelo quadrado do fator. Por exemplo, se a distância cargas é triplicada, a força resultante diminui para um nono do valor anterior. Ainda que rigorosa, a prova de Priestley foi tão simples que ele mesmo não ficou plenamente convencido. O assunto não foi considerado encerrado até 18 anos depois, quando John Robinson da Escócia fez mais medidas diretas das força elétrica envolvida.

Potencial elétrico

Galvani concluiu que a eletricidade era a causa da contração muscular da rã. Ele, erroneamente pensou, entretanto, que o efeito era devido à transferência de um fluido, ou “eletricidade animal”, em vez da eletricidade convencional.

Bateria

Em experimentos com o que ele chamava de eletricidade atmosférica, Galvani descobriu que uma perna de rã poderia se contrair quando presa por um gancho bronze em uma treliça de aço. Outro italiano, Alessandro Volta, um professor da Universidade de Pavia, afirmou que o bronze e o aço, separados por um tecido úmido de rã, geravam eletricidade, e que a perna de rã era apenas um detector.

Em 1800, Volta conseguiu amplificar o efeito pelo empilhamento de placas feitas de cobre, zinco e papelão úmido respectivamente e fazendo isto ele inventou a bateria.

Uma bateria separa cargas elétricas através de reações químicas. Se a carga é removida de alguma forma, a bateria separa mais cargas, transformando energia química em energia elétrica. Uma bateria pode produzir cargas, por exemplo, para forçá-las através do filamento de uma lâmpada incandescente. Sua capacidade para realizar trabalho por reações elétricas é medida em Volt, unidade nomeada por Volta. Um volt é igual a 1 joule de trabalho ou energia por cada Coulomb de carga. A capacidade elétrica de uma bateria para realizar trabalho é denominada Força Eletromotriz, ou fem.

Tensão

Seja como uma fem ou um potencial elétrico, tensão é uma medida da capacidade de um sistema para realizar trabalho por meio de uma quantidade de carga elétrica unitária. Para exemplificar tensão tem-se: a voltagem medida em eletrocardiogramas, que fica em torno de 5milivolts, a tensão disponível nas tomadas das casa de 220V, e além disso tem-se o enorme potencial de 10 mil volts existente entre uma nuvem carregada e o chão, que é necessário para a produção de um relâmpago.

Dispositivos para o desenvolvimento de tensão inclui baterias, geradores, transformadores e geradores de Van de Graaff.

Algumas vezes altas tensões são necessárias. Por exemplo, os elétrons emitidos em tubos de televisão requer mais de 30.000 volts. Elétrons se movendo devido a essa tensão alcançam velocidades perto de um terço da velocidade da luz e tem energia suficiente para produzir um ponto na tela. Essas altas diferenças de potenciais podem ser produzidas por baixas tensões alternadas utilizando-se um Transformador.

CHOQUE ELÉTRICO

É a passagem de corrente elétrica pelo corpo humano originando efeitos fisiológicos graves ou até mesmo a morte do indivíduo. A condição básica para se levar um choque é estar sob uma diferença de potencial (D.D.P), capaz de fazer com que circule uma corrente tal que provoque efeitos no organismo.

Efeitos fisiológicos da corrente elétrica

TETANIZAÇÃO : é a paralisia muscular provocada pela circulação de corrente através dos nervos que controlam os músculos. A corrente supera os impulsos elétricos que são enviados pela mente e os anula, podendo bloquear um membro ou o corpo inteiro, e de nada vale nestes caso a consciência do indivíduo e a sua vontade de interromper o contato.

PARADA RESPIRATÓRIA : quando estão envolvidos na tetanização os músculos dos pulmões, isto é , os músculos peitorais são bloqueados e pára a função vital da respiração. Isto trata-se de uma grave emergência , pois todos nós sabemos que o humano não agüenta muito mais que 2 minutos sem respirar.

QUEIMADURAS : a corrente elétrica circulando pelo corpo humano é acompanhada pelo desenvolvimento de calor produzido pelo Efeito Joule, podendo produzir queimaduras em todos os graus , dependendo da intensidade de corrente que circular pelo corpo do indivíduo. Nos pontos de contato direto a situação é ainda mais crítica, pois as queimaduras produzidas pela corrente são profundas e de cura mais difícil, podendo causar a morte por insuficiência renal.

FIBRILAÇÃO VENTRICULADA : a corrente atingindo o coração, poderá perturbar o seu funcionamento, os impulsos periódicos que em condições normais regulam as contrações (sístole) e as expansões(diástole) são alterados e o coração vibra desordenadamente(perde o passo). A fibrilação é um fenômeno irreversível que se mantém mesmo depois do descontato do indivíduo com a corrente, só podendo ser anulada mediante o emprego de um equipamento conhecido ”desfibrilador”

Eletricidade é uma forma de energia, um fenômeno que é um resultado da existência de cargas elétricas. A teoria de eletricidade e seu inseparável efeito, Magnetismo, é provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias científicas.

O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invenção de motores, geradores, telefones, radio e televisão, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear.

A eletricidade é uma necessidade para a civilização moderna

Mas uma invenção importante, de uso pratico foi o pára-raios, feito por Benjamin Franklin. Ele disse que a eletrização de dois corpos atritados era a falta de um dos dois tipos de eletricidade em um dos corpos. esses dois tipos de eletricidade eram chamadas de eletricidade resinosa e vítrea.

No século XVIII foi feita a famosa experiência de Luigi Aloisio Galvani em que potenciais elétricos produziam contrações na perna de uma rã morta. Essa diferença foi atribuída por Alessandro Volta ao fazer contato entre dois metais a perna de uma outra rã morta. Essa experiência foi atribuída a sua invenção chamada de pilha voltaica. Ela consistia em um serie de discos de cobre e zinco alterados, separados por pedaços de papelão embebidos por água salgada.

Com essa invenção, obteve-se pela primeira vez uma fonte de corrente elétrica estável. Por isso, as investigações sobre a corrente elétrica aumentaram cada vez mais.

Depois de um tempo, são feitas as experiências de decomposição da água. Em 1802, Humphry Davy separa eletronicamente o sódio e potássio.

O físico Hans Christian Örsted observa que um fio de corrente elétrica age sobre a agulha de uma bússola. Com isso, percebe-se que há uma ligação entre magnetismo e eletricidade.

Os geradores foram se aperfeiçoando até se tornarem as principais fontes de suprimento de eletricidade empregada principalmente na iluminação.

Para ocorrer a distribuição de energia, foram criados inicialmente condutores de ferro, depois os de cobre e finalmente, em 1850, já se fabricavam os fios cobertos por uma camada isolante de guta-percha vulcanizada, ou uma camada de pano.

A Publicação do tratado sobre eletricidade e magnetismo, de James Clerk Maxwell, em 1873, representa um enorme avanço no estudo do eletromagnetismo. A luz passa a ser estendida como onda eletromagnética, uma onde que consiste de campos elétricos e magnéticos perpendiculares à direção de sua propagação.

Heinrich Hertz, em suas experiências realizadas a partir de 1885, estuda as propriedades das onde eletromagnéticas geradas por uma bobina de indução; nessas experiências observa que se refletidas, refratadas e polarizada, do mesmo modo que a luz. Com o trabalho de Hertz fica demostrado que as ondas de radio e as de luz são ambas ondas eletromagnéticas, desse modo confirmando as teorias de Maxwell; as ondas de radio e as ondas luminosas diferem apenas na sua freqüência.

Hertz não explorou as possibilidades práticas abertas por suas experiências; mais de dez anos se passa, até Guglielmo Marconi utilizar as ondas de radio no seu telegrafo sem fio. A primeira mensagem de radio é transmitida através do Atlântico em 1901. Todas essas experiências vieram abrir novos caminhos para a progressiva utilização dos fenômenos elétrico sem praticamente todas as atividades do homem. ”

Raios

O que são raios?

A descarga atmosférica, popularmente conhecida como raio, faísca ou corisco, é um fenômeno natural que ocorre em todas as regiões da terra. Na região tropical do planeta, onde está localizado o Brasil, os raios ocorrem geralmente junto com as chuvas.

O raio é um tipo de eletricidade natural e quando ocorre uma descarga atmosférica temos um fenômeno de rara beleza, apesar dos perigos e acidentes que o mesmo pode provocar.

O raio é identificado por duas características principais:

Os raios ocorrem porque as nuvens se carregam eletricamente. É como se tivéssemos uma grande bateria com um pólo ligado na nuvem e outro pólo ligado na terra.

A “voltagem” desta bateria fica aplicada entre a nuvem e a terra. Se ligarmos um fio entre a nuvem e a terra daremos um curto-circuito na bateria e passará uma grande corrente elétrica pelo fio. O raio é este fio que liga a nuvem à terra. Em condições normais, o ar é um bom isolante de eletricidade. Quando temos uma nuvem carregada, o ar entre a nuvem e a terra começa a conduzir eletricidadeporque a “voltagem” exitstente entre a nuvem e a terra é muito alta: vários milhões de volts (a “voltagem” das tomadas é de 110 ou 220 volts).

O raio provoca o curto-circuito da nuvem para a terra e pelo caminho formado pelo raio passa uma corrente elétrica de milhares de ampéres. Um raio fraco tem corrente de cerca de 2.000 A, um raio médio de 30.000 A e os raios mais fortes tem correntes de mais de 100.000 A (um chuveiro tem corrente de 30 A).

Apesar das correntes dos raios serem muito elevadas, elas circulam durante um tempo muito curto (geralmente o raio dura menos de um segundo).

Os raios podem sair da nuvem para a terra, da terra para a nuvem ou então sair da nuvem e da terra e se encontrar no meio do caminho.

No mundo todo ocorrem cerca de 360.000 raios por hora (100 raios por segundo). O Brasil é um dos países do mundo onde caem mais raios. No estado de Minas Gerais, onde foram feitas medições precisas do número de raios que caem na terra, temos perto de 8 raios por quilômetro quadrado por ano.
Muitos raios ocorrem dentro das nuvens. Geralmente este tipo de raio não oferece perigo para quem está na terra, no entanto ele cria perigo para os aviões.

Os raios caem nos pontos mais altos porque eles sempres procuram achar o menos caminho entre a nuvem e a terra. Árvores altas, torres, antenas de televisão, torres de igreja e edifícios são pontos preferidos pelas descargas atmosféricas.

Os raios são perigosos?

Sim. Os raios trazem uma série de riscos para as pessoas, animais, equipamentos e instalações.

Mesmo antes de um raio cair já existe perigo. Antes de cair um raio, as nuvens estão “carregadas de eletricidade” e, se por baixo da nuvem tivermos, por exemplo, uma cerca muito comprida, os fios da cerca também ficarão “carregados com eletricidade”. Se uma pessoa ou animal tocar na cerca irá tomar um choque elétrico, que em alguns casos poderá ser fatal.

O choque elétrico ocorre quando uma corrente elétrica circula pelo corpo de uma pessoa ou animal. Dependendo da intensidade da corrente e do tempo em que a mesma circula pelo corpo, poderão ocorrer consequências diversas: formigamento, dor, contrações violentas, queimaduras e morte. Se um raio cair diretamente sobre uma pessoa ou animal, dificilmente haverá salvação.

Na maioria dos casos as pessoas não são atingidas diretamente. Quando um raio atinge uma cerca ou uma edificação provoca uma circulação de corrente pelas partes metálicas da instalação atingida.

No caso da cerca, os arames conduzirão parte da corrente do raio e ficarão eletrificados. No caso de uma casa, os canos metálicos de água, os fios da instalação elétrica e as ferragens das lajes e colunas irão conduzir parte da corrente do raio e ficarão também “carregados de eletricidade”. Uma pessoa ou animal que esteja em contato ou até mesmo perto destas partes metálicas poderá tomar um choque violento.

Mesmo no caso de um raio cair sobre uma estrutura que não tenha matais, como por exemplo uma árvore, uma pessoa perto desta árvore poderá tomar um choque. Os valores das voltagens e correntes envolvidas no raio são tão grandes que ele faz a árvore se comportar como um condutor de eletricidade.

Os equipamentos elétricos e telefônicos sofrem muito com os raios. Estes equipamentos são projetados para trabalhar com uma “voltagem” especificada. Quando um raio cai perto ou sobre as redes telefônicas, redes elétricas e antenas, ele provoca o aparecimento de “voltagens” elevadas nos equipamentos, muito acima do valor para o qual eles foram projetados e geralmente ocorre sua queima.

Os raios podem provocar danos mecânicos, como por exemplo derrubar árvores ou até mesmo arrancar tijolos e telhas de uma casa.

Um dos grandes perigos que os raios criam são os incêncios. Muitos incêndios em florestas são provocados por raios. No caso de silos e depósitos de material inflamável, a queda de uma raio pode provocar consequências catastróficas.

Muitas supertições e lendas existem sobre raios. Algumas tem fundamento e outras não. Tentaremos analisar as principais supertições.

Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar.

Isto não é verdade. As estruturas elevadas, por exemplo, são atingidas várias vezes por raios.

É perigoso segurar objetos metálicos durante as tempestades.

Sim e não. Segurar objetos pequenos, como uma tesoura ou alicate, não provoca risco. Entretanto, carregar um objeto metálico, ou até mesmo um ancinho ou outra ferramenta metálica em um local descampado pode oferecer riscos.

Devemos cobrir os espelhos durante as tempestades, pois eles atraem os raios.

Não, isto não é verdade. Até hoje não foi demonstrada nenhuma relação entre os espelhos e os raios.
Andar com uma “pedra do raio” no bolso evita raios.

Quando um raio atinge o solo, sua corrente aquece o solo e se for muito intensa poderá ocorrer a fusão de pequenas pedras, formando um pedregulho de aspecto estranho. Dizem que carregar uma destas pedras dá sorte e evita os raios. Evitar raios a pedra não evita, mas dar sorte, talvez sim!

Perguntas e respostas sobre os raios

Durante palestras ou mesmo conversas, algumas perguntas são sempre feitas. Tentaremos responder às perguntas mais frequentes.

É perigoso tomar banho em chuveiros elétricos durante as tempestades?

Sim. O chuveiro elétrico está ligado à rede elétrica que alimenta a residência e se um raio cair próximo ou sobre a mesma poderemos ter o aparecimento de “voltagens” perigosas na fiação e a pessoa que está tomando banho pode tomar um choque elétrico.

Não devemos operar aparelhos elétricos e telefônicos durante as tempestades?

Não, pelo mesmo motivo apresentado no caso de tomar banho. Os aparelhos elétricos e telefônicos estão ligados a fios, que podem ter suas “voltagens” elevadas quando há queda de um raio sobre ou perto das redes telefônicas e elétricas, ou mesmo no caso de um raio que caia sobre a casa.

É possível se proteger contra os raios?

Sim. A adoção de medidas de segurança pessoal minimiza bastante os perigos provocados pelos raios. A maior parte dos acidentes ocorre com pessoas que estão em locais descampados. Raramente temos acidentes com pessoas dentro de edificações.

Durante as tempestades com raios:

Evite ficar em locais descampados e descobertos;

As casas, edifícios, galpões, carros, ônibus e trens são locais seguros;

Dentro de uma edificação, procure ficar afastado (no mínimo um metro) de paredes, janelas, aparelhos elétricos e telefônicos;

Evite tomar banho em chuveiro elétrico e operar aparelhos elétricos e telefônicos;

Ficar em baixo de uma árvore alta e isolada é muito perigoso, no entanto procura abrigo dentro de uma mata fechada é seguro;

Se estiver em local descampado, não carregue objetos longos, tais como guarda-chuva, vara de pescar, enxada, ancinho, etc;

Não entre dentro de rios, lagoas e mar;

Não opere trator ou qualquer máquina agrícola que não tenha cabine metálica fechada;

Evite ficar perto de cercas e estruturas elevadas (torre, caixa d’água suspensa, árvore alta, etc.);

É possível proteger equipamentos elétricos e telefônicos contra raios?

Sim. Existem protetores especiais que devem ser instalados nas tomadas e nos telefones. Em dias de tempestade é aconselhável desligar os equipamentos das tomadas.

É possível proteger casas e edificações contra raios?

Sim. A norma brasileira NBR 5419 – Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas – Jun/93, estabelece os critérios e procedimentos para a instalação de pára-raios em casas e edificações.

Existem os raio e o corisco?

Raio e corisco são nomes popularmente utilizados para designar as descargas atmosféricas.

O que é “raio-bola”?

É um tipo de raio muito raro. Ele tem o formato de uma bola de fogo, que fica flutuando no ar e algumas vezes ele explode, podendo provocar queimaduras em animais e pessoas próximas.

Caem mais raios em locais rochosos?

Não existe evidência científica de que o tipo de terreno influencie no número de raios que caem. O que sabemos é que em locais elevados caem mais raios de que em locais mais baixos.

Redes elétricas que cortam fazendas aumentam os riscos com raios?

Um raio que cai sobre uma rede elétrica, provavelmente cairia no mesmo local do terreno, mesmo se não não existisse a rede elétrica. Como a rede elétrica se destaca, ou seja, ela acostuma ser um ponto elevado sobre o terreno, raios que iriam cair no solo ou sobre árvores acabam caindo sobre a rede.

O perigo que a rede elétrica traz é devido ao fato dela estar ligada à instalação elétrica de casas e edificações. Um raio que cai na rede elétrica ou nas suas proximidades acaba provocando o aparecimento de “voltagens” perigosas na fiação das edificações.

Quando um rebanho inteiro morre devido a um raio próximo a uma cerca, é devido ao próprio agrupamento dos animais ou à proximidade do rebanho da cerca? O que atrai mais, o agrupamento de animais ou a cerca?

O que atrai o raio é a altura relativa do objeto ou animal em relação ao solo.

O raio sempre cai na estrutura mais alta. Em muitos casos os animais são mais altos que a cerca e neste caso eles são pontos preferenciais para a queda de raios. Como a altura dos animais e da própria cerca não é grande, eles não atraem muitos raios. As árvores isoladas, em geral, atraem mais raios que cercas e animais.

Mesmo no caso de uma cerca devidamente protegida (aterrada e seccionada), se um raio cair sobre ela e se junto dela estiver um rebanho, provavelmente o resultado será catastrófico. O raio que cai diretamente na cerca energiza apenas um trecho dela, ou seja, o seccionamento e aterramento evitam a energização de toda a cerca. Apenas os animais junto ao trecho de cerca energizado correm grandes riscos.

Fonte: www.usinadeletras.com.br

História da Eletricidade

RESUMO

OS PRIMEIROS PASSOS

Grécia Antiga –Tales descobre as propriedades do âmbar.
Ásia Menor descobre-se as propriedades de um pedaço de rocha atrair pequenos pedaços de ferro
Somente em 1600 William Gilbert publica sua obra De Magnete na qual relata estas propriedades. Surge pela primeira vez as palavras eletricidade e eletrização

ELETRICIDADE ESTATICA

1660  Otto Von Guericke inventa a máquina eletrostática que era capaz de gerar cargas elétricas por fricção.
1729  Stephen Gray fez a distinção entre materiais condutores e não condutores.
1730 Charles Francis Dufay descobriu que a eletricidade produzida por fricção podia ser de duas classes positiva ou negativa

PARA RAIOS

1744 Universidade de Leyden Holanda foi inventado um dispositivo chamado garrafa de Leyden
Benjamin Franklin Estados Unidos carregou uma garrafa de Leyden utilizando pipas durante tempestades e constatou que os raios são uma forma de eletricidade.
Esta descoberta de Franklin possibilitou a invenção dos primeiros para raios.

HISTORIA DA ELETRICIDADE

No século XVIII acreditava-se que a eletricidade era um fluido. Com base nesta teoria Franklin estabeleceu (1750) os termos eletricidade positiva e eletricidade negativa assim como as propriedades de atração e repulsão entre corpos carregados.

1780 Itália  Luigi Galvani, professor de Anatomia, descobre que as pernas de um sapo morto, que estava sobre uma placa metálica, sofriam uma contração quando tocadas com um bisturi.
Galvani atribui este fenômeno à descarga elétrica; mas a explicação iria demorar mais alguns anos.

A PRIMEIRA PILHA

Alessandro Volta  Itália descobre que ocorre uma reação química quando dois metais diferentes ficam em contato com uma solução acida. Devido esta reação surge uma corrente elétrica.
1796  Volta construiu a primeira pilha utilizando discos de cobre e zinco, separados por um material que continha uma solução acida.

PILHADEVOLTA

História da Eletricidade

ELETRO MAGNETISMO

1820 Dinamarca  Hans Christian Oersted descobre que uma corrente elétrica fluindo em um condutor é capaz de alterar a agulha de uma bússola
1831 Inglaterra  Michael Faraday descobriu que se um condutor se movimentasse dentro do campo magnético de um ímã, uma força eletro motriz era induzida nos terminais do condutor

LEIS DE COULOMB

1800 França  Charles Augustin Coulomb descobriu que a força entre dois pólos carregados é inversamente proporcional ao quadrado da distancia entre eles e diretamente proporcional à suas magnitudes.

SOLENOIDE

1820 França  André Maria Ampere, demonstrou que condutores percorridos por correntes elétricas desenvolvem forças de atração ou de repulsão. Ele inventou o solenóide.
1827  Ampere elaborou a formulação matemática do eletromagnetismo , a conhecida lei de Ampere

LEI DE OHM

1827 Alemanha  George Simon Ohm descobre a relação entre corrente, tensão e resistência em um condutor elétrico surgindo uma das mais utilizadas expressões na eletricidade , Lei de Ohm

TELEGRAFO MAQUINAS ELETRICAS

1833-Alemanha  Wilhelm Weber e Karl Gauss desenvolveram um telégrafo eletro magnético que posteriormente foi aperfeiçoado por Werner Von Siemens e Samuel Morse
1833 Inglaterra  Michael Faraday estabeleceu as leis da eletrólise, da capacitância elétrica e inventou o motor elétrico, o dínamo e o transformador

MOTORDECORRENTECONTINUA1886

História da Eletricidade

TELEFONE -ILUMINAÇÃO

1875 Estados Unidos  Alexander Graham Bell inventou o telefone
1830 Estados Unidos  Joseph Henry descobriu a indução eletromagnética e a conversão do magnetismo em eletricidade.
1880 Estados Unidos  Thomas Edison desenvolveu a lâmpada elétrica incandescente

GERAÇÃO DE ENERGIA ELETRICA

1882  Thomas Edison projetou e construiu as primeiras usinas geradoras , uma em Londres e duas nos Estados Unidos. Ambas eram de pequeno porte e forneciam eletricidade em corrente contínua.
1864  Inglaterra -James Maxwell desenvolveu as equações fundamentais do eletro magnetismo Leis de Maxwell

CORRENTE ALTERNADA

1886 Estados Unidos , George Westhinghouse inaugurou o primeiro sistema de energia elétrica em CA utilizando um transformador eficiente desenvolvido por W. Stanley.
1887 já havia algumas usinas em CA que alimentavam cerca de 135000 lâmpadas.
A transmissão era feita em 1000 volts

CORRENTES TRIFASICAS

1890 Sérvia  Nikola Tesla criou o sistema de geração de energia elétrica trifásico, que passou a ser utilizado em 1896.

BIBLIOGRAFIA

Fundamentos de Eletricidade Matheus Theodoro da Silva ltc
Instalações Elétricas Julio Niskier e A.J.Macintyreltc
As imagens utilizadas nesta apresentação foram obtidas através da internet e são de diversos autores.

Fonte: www.univasf.edu.br

História da Eletricidade

A primeira observação da eletrificação de objetos por atrito perdeu-se na antigüidade. Os filósofos gregos, como por exemplo, Thales, de Miletus, no ano 600 a.c., já sabiam que ao esfregar uma peça de âmbar com um pedaço de lã ou pele, eram capazes de conferir ao âmbar a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha. A palavra elétron, aliás deriva da palavra âmbar (elektron), em grego. Esta constatação originou a ciência da eletricidade.

Os gregos sabiam também que algumas “pedras”, as magnetitas (lodestones) que eram encontradas em Magnesia, uma localidade da Ásia Menor, podiam atrair exclusivamente o ferro, e isto mesmo sem serem esfregados. O estudo desta propriedade origina a ciência do magnetismo. No século 11, árabes e chineses usavam a magnetita flutuando sobre a água para se orientarem ao navegar pelos mares. Eram as bússolas. O primeiro estudo sistemático dos ímãs foi feito em 1269 por Pierre de Maricourt. Ele usou uma agulha magnetizada para traçar o que chamava de “linhas de força” ao redor de uma esfera de magnetita e descobriu que estas linhas convergem em duas regiões, em lados opostos da esfera, como as linhas longitudinais da Terra. Por analogia, ele chamou as regiões onde as linhas de força convergem de pólos.

Em 1600, William Gilbert estendeu estes trabalhos e sugeriu que a própria Terra comporta-se como um gigantesco ímã. Por volta de 1753, observações de que relâmpagos eram capazes de conferir propriedades magnéticas a peças de ferro sugeriam uma convergência entre a eletricidade e o magnetismo, mas demorou ainda algum tempo até que a relação entre as duas ciências se tornasse clara.

Em 1600, William Gilbert, médico da rainha Elizabeth I, foi o primeiro a distingüir claramente entre fenômenos elétricos e magnéticos.

Foi ele quem cunhou a palavra eletricidade, derivando-a de “elektron” que significa âmbar em grego. Gilbert mostrou que o efeito elétrico não é exclusivo do âmbar, mas que muitas outras substâncias podem ser carregadas eletricamente ao serem esfregadas.

Em 1729 Stephen Gray observou que era capaz de transferir a carga elétrica de um bastão de vidro para uma bola de marfim pendurada por um barbante. Porém a transferência de carga não ocorria se a bola era pendurada por um fio metálico. Daí concluiu que o metal “levava embora” o fluido (carga). Gray concluiu que a maior parte das substâncias podem ser classificadas de condutoras ou isolantes. Os condutores, como por exemplo os metais e soluções iônicas, permitem o fluxo livre do fluido, enquanto que os isolantes, como por exemplo a madeira, borracha, seda e vidro, não permitem o fluxo do fluido.

Quando um bastão de vidro é friccionado por seda, ambos ficam carregados. Imagine a seguinte experiência. Duas bolas de isopor são suspensas por fios e colocadas próximas uma da outra. Ao tocar ambas as bolas com o bastão de vidro, ou ambas com seda, as bolas se repelem. Tocando uma das bolas com o vidro e a outra com seda elas se atraem.

Baseado neste tipo de evidência, Charles du Faye, em 1733, propôs que existem dois tipos de cargas, que são observáveis como “fluxos elétricos”, e que as cargas iguais se repelem enquanto que as cargas diferentes se atraem. O tipo da carga do vidro foi chamado de “vítreo” e o tipo da carga da seda ou do âmbar de “resinoso”. du Fay acreditava que estas cargas eram separadas pelo ato da fricção.

Por volta de 1750 Benjamin Franklin propôs que um único tipo de fluido flui de um corpo para o outro pela fricção, designando de positivamente carregado o corpo que acumulou fluido e negativamente carregado o corpo que perdeu fluido. Franklin realizou também a seguinte experiência: colocou duas pessoas, A e B, sobre um pedestal coberto de graxa para evitar a perda de carga. Depois de carregar um deles com o bastão de vidro e o outro com o pano de seda, observou que um terceiro indivíduo, C, aproximando-se de qualquer um deles causava o aparecimento de uma faísca.

Contudo se A e B se tocavam, não havia faísca. Franklin concluiu que as cargas armazenadas no bastão de vidro e na seda eram de mesma amplitude mas de sinais opostos e propôs ainda que a carga nunca é criada ou destruída, mas simplesmente transferida de um corpo para o outro. Hoje chamamos a esta propriedade de Conservação da Carga.

Em 1753, John Canton descobriu que é possível carregar um objeto metálico isolado eletricamente mesmo sem tocá-lo fisicamente com outro objeto carregado. Imagine por exemplo duas bolas metálica sobre pedestais isolantes, em contato entre si. Aproxima-se um bastão de vidro positivamente carregado de uma das bolas. Nesta situação, separa-se as duas bolas e afasta-se o bastão de vidro. Canton observou que a bola próxima ao bastão de vidro ficou carregada negativamente, enquanto que a outra ficou carregada positivamente, e que a quantidade de carga armazenada era a mesma nas duas bolas. Este fenômeno é chamado de indução.

Durante todo o século XVIII uma série de experiências foram realizadas, mas as observações eram meramente qualitativas. O primeiro passo importante na quantificação das forças elétricas foi dado pelo químico Joseph Priestley, descobridor do oxigênio, em 1766. Poucos anos antes, Benjamin Franklin havia realizado a seguinte experiência. Era conhecido que um copo metálico carregado era capaz de atrair um pequeno corpo descarregado e que este corpo neutro se carregava prontamente em contato com a superfície externa do copo. Contudo, ao suspender uma pequena esfera de cortiça no interior de um copo metálico tapado carregado, constatou que não atuava nenhuma força sobre a cortiça. E ainda, colocando o corpúsculo em contato com a superfície interna do copo, ele não se carregava. A pedido de Franklin, Priestley confirmou tal resultado. A única força conhecida à época era a força da gravidade, proporcional a 1/r2. Sabiase também que a força no centro de uma distribuição de massa na forma de uma calota esférica seria nula. Por analogia Priestley propôs que a força elétrica deveria ser proporcional a 1/r2. Contudo, o trabalho definitivo sobre as forças elétricas é creditada a Charles Auguste Coulomb. Em 1785 Coulomb realizou o seguinte experimento. Ele carregou com uma quantidade de carga Q uma pequena bola de seiva vegetal (“pith”) recoberta de ouro. Tocando-a com uma outra bola idêntica, sabia que cada uma delas ficaria com metade da carga (Q/2). Repetindo esse processo Coulomb foi capaz de obter várias quantidades de carga. Para medir a força entre as bolas ele valeu-se de uma balança de torção.

Manteve uma das bolas fixas e a outra, num arranjo de halteres com um contrapeso, foi suspensa por um fio de seda ligado a um dinamômetro. Coulomb descobriu que, mantendo as cargas constantes, a força é proporcional a 1/r2, enquanto que mantendo a distância fixa, a força é proporcional ao produto das cargas. Ou seja,

F = kqQ/r2

onde k é uma constante que vale: k = 9.0 x 109 N.m2/C2

Durante o século XVIII os conceitos de diferença de potencial e corrente elétrica foram sendo desenvolvidos aos poucos. Contudo, um estudo mais sistemático da correlação entre estas duas grandezas era dificultado por uma série de razões. Uma das razões era a inexistência de uma fonte de corrente contínua. Até 1800, a única forma para produzir uma corrente elétrica era descarregar uma garrafa de Leyden (“Leyden jarr”) através de um condutor. Naturalmente isto produzia apenas uma corrente transitória. Não se sabia também se o condutor era apenas um caminho através do qual passa o “fluido” elétrico ou se exercia algum outro papel ativo. Além disso não existiam instrumentos de medidas de grandezas elétricas. Os investigadores precisavam usar seu corpo, língua e olhos como detetores.

Vamos falar um pouco mais sobre a garrafa de Leyden. Nos primórdios dos estudos da eletricidade não existiam meios para armazenar a eletricidade por períodos prolongados. Mesmo mantendo um corpo carregado sobre bases muito bem isoladas as cargas tendiam a desaparecer rapidamente. A perda do “fluido elétrico” (carga) era atribuída a alguma forma de evaporação, de modo que procurava-se uma forma de “condensar” a carga. Em 1745, E. G. von Kleist, um clérigo alemão, imaginou que guardando a água carregada numa garrafa seria possível reduzir a perda de carga. Ele colocou água numa garrafa de vidro, tampou-a com uma rolha e espetou um prego através da tampa, que entrava em contato com a água. Segurando a garrafa com uma das mãos, conectou o prego a uma máquina de carregar “fluido elétrico” por um certo tempo, antes de desconectá-lo. Sendo um amador von Kleist cometeu o erro de não colocar a garrafa sobre uma superfície isolante. Quando tocou no prego com a outra mão recebeu um tremendo choque. Mais tarde ele descobriu que a garrafa pode manter-se carregada por longos períodos, desde que não seja mexido.

Outras pessoas tentaram reproduzir o experimento, sem sucesso, pois procediam da forma usual, isolando a garrafa enquanto a carregavam. Três meses depois, em 1746, Pieter van Musschenbroek, um professor na Universidade de Leiden, percebeu que era necessário segurar a garrafa tanto durante a carga quanto durante a descarga. Durante o carregamento, o condutor interno carregado (a água) induz uma carga oposta no outro condutor (a mão), que fica conectado ao terra por meio de um condutor (o corpo). O choque é sentido quando as cargas passam de uma mão para a outra. O processo de descarga é muito mais rápido que o de carga. Outros, logo perceberam que a água poderia ser substituída por bolinhas de chumbo. Mais tarde, as bolinhas de chumbo e a mão foram substituídas por folhas de metal cobrindo as superfícies interna e externa da garrafa de vidro. Depois, Benjamin Franklin substituiu a garrafa de vidro por uma placa plana de vidro. Finalmente, o mais simples destes dispositivos passou a ser duas placas metálicas paralelas separadas por ar. Surgia assim o “condensador”, hoje mais conhecido como capacitor.

Em 1780 Luigi Galvani, fisiologista italiano, descobriu a “eletricidade animal” e realizava experiências sobre os efeitos da descarga elétrica através de tecidos animais, usando geradores eletrostáticos. Ele havia dissecado um sapo e ocorreu de estar tocando num nervo com um bisturi quando um gerador nas proximidades produziu uma descarga elétrica. Isto fez com que os músculos do sapo se contraíssem, mesmo sem haver contato elétrico entre o gerador e o bisturi, ou seja, por indução, um fenômeno que era desconhecido a Galvani. Ao invés de ater-se à indução, no entanto, Galvani resolveu usar esta descoberta para outro fim. Ele observou que as pernas de um sapo pendurado por um nervo se contraíam quando ocorria um relâmpago e decidiu tentar medir a eletricidadeexistente com tempo bom e seco (fair-weather field), que era sabido existir. Ele prendeu a espinha do sapo num gancho de latão e pendurou o sapo numa grade de ferro.

Quando nada ocorria por um bom tempo ele se impacientou e, enquanto remexia no arranjo, inadvertidamente tocou o gancho na grade, quando começou a observar uma série de contrações dos músculos do sapo. O mesmo efeito foi observado quando o sapo foi colocado sobre uma mesa de ferro e o gancho foi colocado em contato com a mesa. Mais tarde ele descobriu que outros pares de metais, como por exemplo Cu e Zn, eram também capazes de causar estas contrações. Ele publicou os resultados em 1791 e chamou o fenômeno de “eletricidade animal”.

Alessandro Volta, da Universidade de Pavia, repetiu os experimentos e inicialmente aceitou a idéia da “eletricidade animal”. Ele observou que quando duas tiras de metal como por exemplo, prata e zinco eram unidas e as outras extremidades eram colocadas em contato com a língua, uma sensação definida de “gosto” era produzida. Volta, de fato, usou o gosto para classificar as propriedades elétricas dos metais. Em 1796 ele descobriu que placas de Cu e Zn ficam carregadas pelo mero contato dos dois metais. Ele finalmente concluiu que o efeito dependia do uso de diferentes metais e que o tecido animal funcionava apenas como um meio condutor entre os dois. Numa tentativa de amplificar o efeito, empilhou vários discos de Zn e Cu, mas não observou nenhum aumento do efeito. A capacidade de enguias elétricas produzir choques elétricos era conhecida desde a época dos gregos. Volta sabia também que os órgãos elétricos destes animais possuíam uma estrutura laminar (de várias camadas) intercaladas por fluido. Ele se valeu dessa evidência e separou os pares de discos de Zn e Cu com papel ensopado por solução salina ou ácida. Com este arranjo ele pôde produzir várias centelhas e incandescer fios metálicos. Em 1799 ele anunciou o invento da “pilha voltaica”, que pela primeira vez permitiu gerar uma corrente contínua, o que foi de importância fundamental para o estudo futuro do eletromagnetismo.

A primeira distinção entre condutor e isolante havia sido feita por Stephen Gray, em 1729, conforme já foi descrito. Um avanço importante na determinação da condutividade foi dada por Henry Cavendish, em 1772. Ele usou seu próprio corpo como um detetor do choques produzido pela descarga de uma garrafa de Leydan. Por exemplo, ele descarregou a garrafa através de tubos preenchidos com água potável ou com água do mar e ajustou o comprimento dos tubos até que a sensação de choque fosse a mesma nos dois casos, concluindo que a água do mar é 720 vezes mais condutora que a água potável. Ele tentou também segurar com as mãos fios metálicos por onde passava uma descarga elétrica para comparar o quanto cada metal conduzia. Em 1827 Georg Simon Ohm conseguiu demonstrar que a diferença de potencial através de um dispositivo é diretamente proporcional à corrente através dele. É o que conhecemos hoje como a lei de Ohm. Dispositivos que seguem a lei de Ohm são conhecidos de ohmicos e aqueles que não seguem, de nãoohmicos.

As ciências da eletricidade e magnetismo desenvolveram-se isoladamente, até que em 1820 Hans Christian Oersted encontrou uma conexão entre os dois fenômenos. Enquanto preparava uma aula, Oersted observou que uma corrente elétrica passando por um condutor era capaz de causar a deflexão na agulha da bússola. Surgia assim a ciência do eletromagnetismo. Mais tarde Oersted descobriu também que um ímã é capaz de gerar uma força sobre um fio conduzindo corrente. Michael Faraday realizou uma série de estudos experimentais e sobre estes dados trabalhou James Clerk Maxwell, que deu a forma matemática do eletromagnetismo, as leis de Maxwell. A grande descoberta de Maxwell em eletromagnetismo é a previsão de que a luz é uma onda eletromagnética e que sua velocidade pode ser determinada por medidas puramente elétricas e magnéticas. Em 1888, no artigo entitulado “On Electromagnetic Waves in Air and Their Reflection”, H. Herz prova experimentalmente as previsões de Maxwell.

Em 1879 Edwin H. Hall, sob orientação do professor Henry Roland, da Universidade Johns Hopkins, efetuou a medida do que conhecemos hoje como efeito Hall, usando um condutor de cobre, e descobriu que a corrente elétrica num metal é devido ao fluxo de um fluido que possui carga negativa. Provou ainda que, ao contrário do que Oersted sugerira, um campo magnético exerce a força sobre o fluido no condutor e não sobre o conduto.

Por volta de 1860 foi descoberto que uma grande diferença de potencial através de um ambiente contendo gás rarefeito (0,01 atm) causava fluoresência do gás. O aparato para estes estudos era contido em tubos de vidro. Quando a pressão era ainda mais baixa (10-3 mm de Hg) o tubo como um todo ficava escuro mas observavam-se feixes luminoso de cor azulada emanando do eletrodo negativo (catodo). Onde os “raios catódicos” invisíveis atingiam a superfície do tubo de vidro observava-se a fluorescência do vidro, que brilhava numa cor esverdeada ou azulada. Descobriu-se que o “raio catódico” caminhava em linha reta, pois plaquetas de mica posicionadas no caminho do feixe, produzia uma sombra na parede de vidro. Nos idos de 1880 conhecia-se uma série de fatos: (1) o raio era defletido por um campo magnético como se fossem cargas negativa; (2) o raio era emitido perpendicularmente à placa do catodo, ao contrário da luz que era emitido para todas as direções; (3) o raio carregava momento (uma vez que era capaz de girar pequenas hélices) e energia (uma vez que era capaz de aquecer um corpo). No início não se sabia se o “raio catódico” era uma onda eletromagnética ou um fluxo de partículas carregadas. Heinrich Hertz tentou defletir o raio por meio de campos elétricos, aplicando uma tensão, inicialmente de 22 V, entre duas placas planas paralelas, sem resultados. Ao atingir 500 V houve geração de uma descarga entre as placas e os estudos foram interrompidos. P. Lenard, assistente de Hertz, descobriu que o raio era capaz de atravessar finas folhas de metal (2 µm) e percorrer distâncias de até 1 cm no ar. Como as folhas metálicas não permitiam a passagem do gás de hidrogênio, o menor dos átomos, ficava provado que o “raio catódico” não era um feixe de átomos. Se os raios fossem feixes de partículas carregadas deveria haver geração de campo magnético, mas Hertz não foi capaz de medir tal campo. Desse modo, a maioria dos cientistas alemães acreditavam que o “raio catódico” deveria ser algum tipo de campo.

Em 1895, J. Perrin, na França, foi capaz de coletar os raios num cilindro e mostrar que eles carregavam cargas negativa.

Com um campo magnético defletindo o raio, foi capaz de evitar a coleta de carga, mostrando que o “raio catódico” era constituído de partículas.

O aparato para estudar o “raio catódico” era o tubo de raio catódico (CRT — Cathode Ray Tube). Em 1897 J. J.

Thomson, em Cambridge, realizou uma série de experimentos utilizando o CRT para estudar o elétron, que à época ele chamava de “corpúsculo”. O CRT consistia de um catodo, onde o raio era gerado, e um anodo que possuía um pequeno orifício, para onde o raio era acelerado por meio de uma diferença de potencial aplicada entre os dois eletrodos. O conjunto era montado dentro de uma câmara de vidro mantida a baixa pressão. Na linha da trajetória do raio, o aparato permitia aplicar um campo magnético conhecido e existia ainda um par de placas paralelas, onde se aplicavam tensões que geravam um campo elétrico defletor. Thomson conseguiu provar, de início, que o raio podia ser defletido pelo campo elétrico. Isto foi possível porque Thomson trabalhava com níveis de vácuo melhores que os usados por Hertz.

Baseado nisso, Thomson realizou a seguinte seqüência de medidas: i) observar o ponto em que o feixe de cargas atinge a tela do CRT quando nem o campo elétrico nem o campo magnético são aplicados; ii) observar o ponto em que o feixe de cargas atinge a tela do CRT quando o campo magnético é aplicado; iii) determinar a intensidade do campo elétrico necessário para compensar o campo magnético, fazendo com que a posição observada em (ii) volte para a posição de (i). Para marcar as posições, a tela de vidro do CRT era coberto por um material fosforescente, como por exemplo, o ZnS. Thomson sabia, pelo conhecimento do seletor de velocidade, que a velocidade da partícula era v = E/B. A velocidade de suas partículas era de 3×107 m/s. Com isso Thomson foi capaz de determinar a relação q/m como sendo de 1011 C/kg. Thomson utilizou vários gases no interior do tubo, mas obtinha sempre o mesmo valor de q/m para o “corpúsculo”, concluindo que observava sempre a mesma partícula. Supondo ainda que este “corpúsculo” tivesse a mesma carga do íon H+, concluiu que o “corpúsculo” deveria ter uma massa pelo menos 1000 vezes menor que o menor dos átomos, isto numa época em que muitos cientistas ainda relutavam em aceitar a idéia do átomo. Assim, o elétron foi a primeira partícula subatômica descoberta pelo homem e marca o início da eletrônica tal qual a conhecemos hoje.

Durante os séculos XVII e XVIII acreditava-se que tanto a matéria quanto a carga elétrica fossem contínuas. Em 14 de dezembro de 1900, Max Planck apresentou o seu artigo “Sobre a teoria da lei da distribuição de energia do espectro normal” sobre a radiação térmica em que sugere pela primeira vez que esta radiação não seria um fluxo contínuo de energia, mas sim um fluxo de pacotes de energia. Este trabalho é considerado hoje a origem da física quântica clássica.

Em 1909 R. Andrew Millikan demonstrou que a carga elétrica é também quantizada e o valor de uma carga é aproximadamente de:

e=1,602×10-19 C

Em 1900 Drude sugeriu que num metal a condução de corrente é feita por uma nuvem de elétrons e desenvolveu toda uma teoria de condução térmica e elétrica, aplicando a teoria cinética dos gases. A teoria cinética dos gases supõe que as moléculas de gases são esferas sólidas idênticas que se movem em linha reta até colidir com uma outra molécula do gás. Drude supôs adicionalmente que as cargas positivas pertenciam a partículas muito mais pesadas que o elétron, que eram consideradas imóveis.

No modelo de Drude supunha-se que os elétrons possuíam uma distribuição de velocidade eletrônica dada pela distribuição de Maxwell Boltzmann. Pouco tempo depois de Pauli apresentar o seu princípio da exclusão, isto é, que dois elétrons não podem assumir exatamente a mesma energia, Sommerfeld aplicou a mesma idéia ao modelo de Drude.

Isto implicava em aplicar a distribuição de Fermi-Dirac, o que ajudou a corrigir uma série de falhas do modelo de Drude. O modelo de Sommerfeld ainda deixava de explicar muitas observações experimentais. As razões para as falhas eram algumas hipóteses que eram assumidas no modelo. Hoje sabe-se que as principais fontes dos erros de predição eram as seguintes hipóteses: i) aproximação de elétron livre; ii) aproximação de elétrons independentes; iii) aproximação de tempo de relaxação nula.

Neste meio tempo, o modelo do átomo foi também sendo desenvolvido:

1. Em 1904 Thomson apresentou o modelo de um átomo como sendo uma espécie de “pudim de passas”, uma distribuição contínua de carga positiva contendo elétrons de carga negativa.

2. Em 1911 Ernest Rutherford apresenta o modelo de um átomo contendo um núcleo de carga positiva circundada por elétrons.

3. Em 1913 Niels Bohr propõe que as “órbitas” dos elétrons são quantizadas e que os raios atômicos são multiplos de 2ph, onde h é a constante de Planck. Com isso explica os espectros atômicos.

4. Em 1925 Erwin Schröedinger desenvolve a equação de Schröedinger e o conceito da função de onda.

5. Resolve a equação de Schröedinger no caso de um elétron confinado num potencial eletrostático de um próton e consegue determinar os mesmos níveis de energia previstos pelo modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio.

Simultaneamente adquiria-se também uma série de conhecimentos a respeito da radiação eletromagnética, como a sua dualidade onda partícula (fóton), da quantização dos fótons, bem como das diferentes formas como a radiação eletromagnética e a matéria interagem. Um destes conhecimentos era o espectro atômico que era explicado pelo modelo atômico de Bohr.

Por outro lado, em 1913 W. H. Bragg e W. L. Bragg se valiam do raio X para estudar a cristalografia dos sólidos, isto é, o arranjo dos átomos num sólido. Foi descoberto que alguns sólidos, como por exemplo os cristais iônicos, formavam redes periódicas tridimensionais. Como os íons de uma rede cristalina perfeita são arranjados como uma rede periódica regular, passou se a considerar um potencial periódico e o comportamento de um elétron em tal potencial. Este estudo (Teorema de Bloch) leva à conclusão de que num potencial periódico os elétron podem apresentar energias apenas dentro de certas faixas de energia, ou seja, prevê que existem bandas de energia permitidas (como as bandas de valência e de condução), com bandas de energia proibida entre elas. O estudo da condutividade de um elétron num potencial periódico foi também feito supondo que o elétron não é uma partícula, mas sim, um pacote de onda com o nível de elétron livre. Esta aproximação é chamado de modelo semi-clássico, cujo resultado mais expressivo é a previsão da existência das lacunas.

História do Semicondutor

Os primeiros estudos sistemáticos das propriedades retificadoras de um sistema metal-semicondutor é atribuído a F.

Braun, que em 1874 percebeu a dependência entre a resistência e a polaridade da tensão aplicada, bem como da condição da superfície. A medida DC da resistência em certos cristais diferia em até 30% dependendo do sentido da polarização do cristal Outro caminho levou também à descoberta do semicondutor, o que começa em 1888, quando H. Hetz verifica a existência de ondas sem fio (“wireless waves”). Jagadish Chandra Bose, cientista indiano, efetuou experiências com onda curta de 60 GHz (milimétrica), com o objetivo de medir as propriedades ópticas destas ondas. Bose inventou o primeiro detetor com diodo com contato em ponto estado-sólido (provavelmente inventado entre 1899 e 1900, e patenteado em 1904 nos EUA). Estudos subseqüentes levaram à estrutura “ferro-mercúrio-ferro”, que tornou-se famoso quando foi usado por Marconi para receber a primeira transmissão transatlântica, em 1901.

O retificador de contato de ponto teve aplicação prática em várias formas, começando em 1904. Em 1931, A. H. Wilson formulou a teoria de transporte em semicondutores baseado na teoria de bandas dos sólidos. Esta teoria foi então aplicada para os contatos metal-semicondutor. Em 1938, Schottky sugeriu que uma barreira de potencial poderia ser criada devido a cargas espaciais estáveis no semicondutor, sem a necessidade de existir uma camada química. O modelo que se originou desta idéia é conhecido como a Barreira Schottky. Em 1938 Mott apresentou também um modelo teórico para contatos metal-semicondutor depletado (swept-out), que é conhecido como a barreira Mott.

A estrutura MIS (Metal Insulator Semiconductor) foi inicialmente proposto como um capacitor variável por tensão, em 1959, por J. L. Moll e por W. G. Pfan e C. G. B. Garret. Suas características foram estudados por D. R. Frankl (1961) e por R. Lindner (1962). O diodo MIS foi empregado inicialmente para estudar a superfície do óxido de silício crescido termicamente, onde destacamos estudos de L. M. Terman e outro de K. Lehovec e A. Slobodskoy.

O princípio de acoplamento de cargas foi apresentado pela primeira vez em 1970 por W. S. Boyle e G. E. Smith. Ainda em 1970, G. F. Amelio, M. F. Tompsett e G. E. Smith demonstratram o primeiro dispositivo de acoplamento de carga (CCD).

O princípio do FET (Field Effect Transistor — Transistor de Efeito de Campo) havia sido proposto por J. E. Lilienfeld (1930) e O. Heil (1935). Posteriormente a estrutura foi estudada por W. Schockley e G. L. Pearson (1948). Em 1960 D.

Kahng e M. M. Atalla propuseram e fabricaram o primeiro MOSFET usando óxido de silício crescido termicamente.

A teoria básica relação entre tensão e corrente de uma junção pn foi desenvolvida por W. Schockley (1949). A teoria foi extendida posteriormente por C. T. Sah, R. N. Noyce e W. Schockley (1957) e por J. L. Moll (1958).

Alguns dos marcos no desenvolvimento da tecnologia são:

1. junção de liga (R. N. Hall e W. C. Dunlap (1950)) 2. técnica de junção crescida (G. K. Teal, M. Sparks e E. Buehlor (1951)) 3.purificação por zona (W. H. Pfann (1952)) 4. difusão (M. Tanembaum e D. E. Thomas (1956)) 5. crescimento epitaxial (H. C. Theuerer, J. J. Kleimack, H. H. Loar e H. Christenson (1960)) 6. tecnologia planar (J. A. Hoerni (1960)) 7. beam-lead (M. P. Lepselter (1966)) 8. implantação iônica (W. Schockley (1954)) 9. litografia e corrosão a seco (E. F. Labuda e J. T. Clemens (??))

O transistor (transfer resistor) foi inventado por um time de pesquisadores da Bell Labs em 1947. Antes de 1947 os semicondutores eram usados apenas como termistores, fotodiodos e retificadores. Em 1948, John Bardeen e Walter Brattain anunciaram o desenvolvimento do transistor de contato de ponto. Em 1949 William Schockley publicava o clássico artigo sobre diodos e transistores de junção.

Referências

1. Harris Benso, “University physics”, John Wiley, 1991, New York; 2. David Halliday e Robert Resnick, “Fundamentals of Physics”, Third Edition, John Wiley, 1988, New York; 3. Allen Mottershead, “Introduction to electricity and electronics, 2nd. Edition, John Wiley, 1986, New York; 4. S. M. Sze, “Physics of semiconductor devices”; 2nd Edition, John Wiley, 1981, New York; 5. Robert Eisberg e Robert Resnick, “Física quântica”, Editora Campus, 1979, Rio de Janeiro; 6. Neil W. Ashcroft e N. David Mermin, “Solid state physics”, Sounders College, 1976, Fort Worth.

Mauricio Massazumi Oka

Fonte: www.lsi.usp.br

História da Eletricidade

UMA ANÁLISE DA HISTÓRIA DA ELETRICIDADE PRESENTE EM LIVROS DIDÁTICOS: O CASO DE BENJAMIN FRANKLIN

I. Introdução

Nos últimos anos, a História da Ciência vem sendo introduzida em materiais didáticos utilizados em sala de aula. Uma das razões para isso é a pressão de órgãos governamentais, tais como a Secretaria de Educação Básica, responsável pela avaliação desses livros dentro do Programa Nacional de Livros Didáticos para o Ensino Fundamental e Médio. Os editais destes programas apontam para a importância da apresentação da ciência como construída historicamente (PNLD/ 2007), bem como enfocar a evolução das idéias científicas, explicitando o caráter transitório e de não-neutralidade do conhecimento científico (PNLEM/ 2007). No entanto, a História da Ciência presente nos livros didáticos analisados é superficial, com muitos erros historiográficos e, além do mais, transmite visões sobre a natureza da ciência e de seu método que não correspondem aos conhecimentos epistemológicos atuais. De uma maneira geral, esses livros reforçam a idéia da existência de grandes gênios, valorizam apenas os conhecimentos que coincidem com os aceitos atualmente e, além disso, muitas obras trazem uma visão empírico- indutivista sobre a dinâmica científica.

Este trabalho analisa como a história da eletricidade é apresentada em livros didáticos voltados tanto para o Ensino Fundamental quanto para o Médio. Em particular, analisamos como as contribuições de Benjamin Franklin são abordadas do ponto de vista da qualidade das informações históricas e das idéias sobre a natureza da ciência (McCOMAS, ALMAZROA, CLOUGH, 1998) que estes relatos históricos induzem.

II. A eletricidade no século XVIII

Dentre todos os fenômenos que ocupavam os físicos, a eletricidade foi o que trouxe mais contribuições fundamentais para o ramo da filosofia natural que chamamos hoje de física no século XVIII. Na metade deste século, o estudo dos fenômenos elétricos era um dos ramos principais da filosofia natural experimental. O estudo intensivo e as demonstrações públicas de descargas elétricas, choques e outros efeitos tornou-se possível graças à invenção e ao aperfeiçoamento de grandes máquinas elétricas e também pela recém inventada garrafa de Leyden .

Mas como a eletricidade podia gerar atrações e repulsões sem contato direto?

Tais efeitos eram produzidos por mecanismos desconhecidos e, por isso, muitos autores do período tentaram elucidar os efeitos que a matéria sutil invisível poderia produzir. Ninguém sabia ao certo quais seriam as misteriosas causas de tais fenômenos. Os efeitos elétricos podiam ser transmitidos a grandes distâncias através de fios metálicos ou mesmo através de corpos humanos indicando que a eletricidade poderia ser uma espécie de fluido especial e diferente da matéria comum. Na primeira metade do século XVIII havia várias perguntas ainda sem respostas. Entre elas, podemos citar a explicação da atração e posterior repulsão que ocorrem quando um corpo neutro é aproximado de um corpo eletrizado. O francês Charles-François de Cisternay Dufay (1698-1739) teve um importante papel na solução desse enigma ao explicar o mecanismo de atração, contato e posterior repulsão que ocorre quando, por exemplo, um pedaço pequeno de uma folha é atraído por um bastão de vidro eletrizado, mas é repelido após entrar em contato com ele. Dufay procurou determinar em quais situações os corpos eletrizados podiam se atrair ou repelir, descobrindo que uma folha de ouro que havia sido eletrificada por contato com vidro atritado era repelida pelo vidro, mas era atraída por um pedaço de resina atritada. Com isso, estabeleceu a existência de dois tipos de materiais que apresentavam comportamentos distintos os que se comportavam como a cera e a resina e os que se comportavam como o vidro.

Foi então que Dufay estabeleceu a hipótese de dois tipos de eletricidade; a vítrea e a resinosa:

Nós percebemos que existem dois tipos de eletricidade totalmente diferentes de natureza e nome; aquela dos sólidos transparentes como o vidro, o cristal etc. e aquelas betuminosas ou de corpos resinosos tais como o âmbar, o copal, a cera de lacre etc. Cada uma repele corpos que adquiriram a eletricidade de sua mesma natureza e atrai aquelas de natureza contrária. Nós pudemos perceber que mesmo os corpos que não são elétricos podem adquirir alguma destas eletricidades e passam a agir como os corpos que as cederam (Dufay apud WHITTAKER, 1973, p. 44).

O francês Jean-Antoine Nollet (1700 1770) deu continuidade aos estudos de Dufay. Nollet foi um dos pesquisadores experimentais mais importantes do período, criou vários equipamentos para exibir e demonstrar os efeitos elétricos, propôs novas explicações para os fenômenos observados e também foi um escritor e professor de muito sucesso. Em 1745, Nollet publicou suas explicações para os fenômenos elétricos, que foram bastante aceitas não só na França, mas também nos outros países da Europa. Nollet explicou os fenômenos elétricos pelo movimento, em direções opostas, de duas correntes de fluido elétrico, que estaria presente em todos os corpos, em todas as circunstâncias (HEILBRON, 1981, p. 145-148). Segundo Nollet, quando um corpo elétrico é excitado por fricção, parte deste fluido escapa através de seus poros, causando uma corrente efluente, sendo que essa perda é compensada por uma corrente afluente do mesmo fluido vindo de fora, como ilustrado na figura 1. As correntes efluente e afluente diferiam não apenas em direção, mas também em velocidade e distribuição espacial. Ele explicou a atração e repulsão dos corpos leves nas vizinhanças do corpo eletrizado supondo que eles eram capturados por uma das duas correntes opostas de fluido elétrico (NOLLET, 1753, p. 65-79). Suas idéias sobre eletricidade, quando apresentadas à Académie Royale des Sciences pela primeira vez em 1745 no texto Conjectures sur les causes de l électricité des corps , foram imediatamente aceitas e reconhecidas; seus escritos posteriores foram tratados como contribuições importantes para o estudo da eletricidade. Apesar de sua grande importância para o desenvolvimento dos estudos sobre eletricidade, atualmente Nollet é lembrado quando é lembrado simplesmente como um importante divulgador da ciência (HOME, 1979, p. 171).

O sistema de Nollet predominou durante alguns anos. Em 1752, no entanto, Benjamin Franklin (1706-1790) publicou um livro propondo uma explicação completamente diferente.

III. Benjamin Franklin e suas contribuições para a eletrostática

Franklin interessou-se pelaeletricidade por volta de 1743, após assistir a apresentações e a demonstrações públicas executadas pelo divulgador Adam Spencer, em Boston, que mostravam fenômenos curiosos e divertidos envolvendo eletricidade. Franklin iniciou seus estudos sobre eletricidade somente após receber de seu amigo e comerciante inglês Peter Collinson (1694-1768), em 1745, uma tradução de trabalhos alemães relatando experimentos elétricos publicada na revista Gentleman s Magazine, uma revista voltada à divulgação das novidades européias. Além da revista, Collinson enviou um tubo de vidro que era utilizado para produzir faíscas e instruções de como usá-lo (HEILBRON, 1999, p 324). Esse conjunto de traduções resume os trabalhos sobre eletricidade de Georg Matthias Bose (1710-1761), Christian August Hausen (1693-1743) e Johann Heinrich Winckler (1703-1770) reunidos por Albrecht von Haller (1708-1777), em 1745. As descrições de Haller são bastante detalhadas e fáceis de serem repetidas. Dessa forma, influenciaram fortemente as montagens experimentais usadas inicialmente por Franklin, que seguiu à risca as sugestões de Haller. Do ponto de vista teórico, Haller supunha que os efeitos elétricos eram causados pelo movimento e deslocamento da matéria elétrica, que ele imaginou ser na forma de um fluido e estender em torno dos corpos eletrizados, formando o que ele chamou de atmosferas (HEILBRON, 1999, p. 325-26). Franklin desenvolveu esse conceito de um único fluido elétrico, baseando- se na idéia de que os corpos seriam formados pela matéria comum e também por um único tipo de matéria elétrica o fogo elétrico que teria o poder de atrair a matéria ordinária e repelir suas próprias partículas. Franklin explicou que a eletrização de um corpo se daria pelo acúmulo de uma quantidade deste fluido elétrico no corpo às custas da perda da mesma quantidade de fluido elétrico por um outro corpo (WHITTAKER, 1973, p. 46). Sendo assim, um corpo ficaria eletrizado quando perdia ou ganhava alguma quantidade desta matéria elétrica. O corpo que perdia matéria elétrica foi chamado de negativo e o corpo que recebia o excesso era chamado de positivo. Franklin utilizou o conceito de um fluido elétrico e uma analogia com uma esponja encharcada para explicar a interação entre a matéria comum e a matéria elétrica. Assim como uma esponja é capaz de reter uma determinada quantidade de água, a matéria elétrica seria capaz de reter certa quantidade de matéria elétrica. Geralmente, a matéria comum conteria tanto fluido elétrico quanto ela seria capaz de comportar. Assim, quando a quantidade de fluido elétrico no corpo aumentasse além de uma quantidade natural, este fluido acumularia ao redor da superfície do corpo, formando uma atmosfera elétrica (HOME, 1972). Vemos que os conceitos de fluido elétrico e atmosfera elétrica desenvolvidos por Franklin são bem semelhantes aos introduzidos anteriormente por Haller. Franklin tentou explicar a atração e repulsão entre dois corpos carregados utilizando o conceito de atmosferas elétricas. Segundo Franklin, dois corpos eletrizados se repelem porque ambos teriam atmosferas elétricas formadas por partículas que se repelem mutuamente. Dessa forma, a teoria de Franklin utilizou os conceitos de atmosfera elétrica e a abundância ou deficiência de fluido elétrico para explicar os fenômenos eletrostáticos de uma maneira qualitativa. Apesar de parecer uma boa explicação, este era um dos problemas da teoria de Franklin. Esta hipótese explicaria apenas porque dois corpos positivamente carregados (com excesso de fluido elétrico, na teoria franklinista) repelem-se mutuamente, como ilustrado na figura 2. Ela não poderia explicar porque dois corpos negativamente carregados (com falta de fluido elétrico) também se repelem.

História da Eletricidade

Fig. 2. Modelo de Franklin para explicar a interação entre corpos neutros e corpos com excesso ou falta de fluido elétrico.

Franklin não escreveu um tratado sobre eletricidade, mas várias cartas a Peter Collinson e a outros, que foram reunidas no livro Experiments and Observations on Electricity, publicado pela primeira vez em três volumes, em 1751, e posteriormente reeditado várias vezes. Há indícios de que Franklin tenha sido influenciado por outros pesquisadores além de Haller. A primeira comunicação pública de Franklin sobre sua nova doutrina foi em 1747, quando ele se refere a artigos europeus sobre eletricidade. Há uma grande similaridade entre suas idéias e as de William Watson (1715-1787) e Benjamin Wilson (1721-1788), publicadas em 1746, sugerindo que Franklin poderia ter se baseado nas idéias destes ingleses. No entanto, em suas cartas, Franklin não afirma ter tido contato com estas idéias ao desenvolver o conceito de um único fluido elétrico (HEILBRON, 1999, p. 329). É importante deixarmos claro aqui que o conceito de conservação do fluido elétrico não foi uma contribuição exclusiva de Franklin. Antes dele, Nollet, por exemplo, já afirmava que a quantidade de fluido elétrico se conservava, porém na forma de correntes afluentes e efluentes.

IV. A natureza elétrica dos raios e a invenção dos pára-raios Foram seus estudos sobre a natureza elétrica dos raios e a invenção do pára-raios que tornaram Franklin famoso e reconhecido nos vários círculos científicos europeus da época. É importante notarmos que essa descoberta não ocorreu repentinamente após a realização de um experimento, no caso o experimento da pipa proposto em 1752, como os livros didáticos levam a crer. Em vários momentos, Franklin manifestou suas idéias sobre a natureza elétrica dos raios bem antes de propor o experimento da pipa, como pode ser notado em sua correspondência. Em uma carta endereçada a John Michell (1724-1793) de 29 de abril de 1749, Franklin descreveu 56 observações e suposições em direção a uma nova hipótese para explicar os vários fenômenos dos raios .

Por exemplo:

2. O fogo elétrico ama a água, é fortemente atraído por ela e eles podem coexistir, 3. O ar é um elétrico por si só e quando seco não conduz o fogo elétrico […], 4. A água quando eletrizada, os vapores que dela saem também são eletrizados e flutuam no ar na forma de nuvens que mantêm o fogo elétrico até encontrarem outras nuvens ou corpos não tão eletrizados, e então comunicam [o fogo elétrico] a eles […] e 33. Quando as partículas eletrizadas da primeira nuvem próxima perdem seu fogo [elétrico], as partículas de uma outra nuvem próxima o recebem […] A colisão ou o solavanco dado no ar também contribui para derrubar a água, não apenas destas duas nuvens mas também de outras próximas. Portanto, a queda súbita da chuva imediatamente acende o relâmpago (FRANKLIN, 1941, p. 201-206).

Nessa carta, muito antes da proposição de experimentos, Franklin já assumia que o relâmpago deveria ser um fenômeno elétrico, tanto que advertiu seus leitores de que montanhas altas, árvores, torres, pináculos, mastros e chaminés agirão como proeminências e pontas; e desta maneira atrairão o fogo elétrico como se uma nuvem inteira se descarregasse ali (FRANKLIN 1941, p. 209). Ele também avisou seus leitores do perigo de se abrigarem sob uma árvore, durante uma tempestade de relâmpagos. Em 7 de novembro de 1749, Franklin apresenta uma lista com 12 semelhanças entre os relâmpagos e as descargas elétricas produzidas artificialmente na terra.

Por exemplo:

1. Produzindo luz. 2. Cor da luz […] 9. Destruindo animais. 10. Derretendo metais. 11. Queimando substâncias inflamáveis. 12. Cheirando enxofre (FRANKLIN 2004, p. 136).

Nessa carta aparece, explicitamente, a idéia que o levou à invenção dos pára-raios: já que o fluido elétrico é atraído por pontas , nós devemos procurar se esta propriedade está no relâmpago […] Deixemos que o experimento nos mostre (ibid).

Em 29 de julho de 1750 ele escreveu novamente para Collinson, descrevendo sua hipótese de um fluido elétrico único discutida acima e também propondo um experimento para a Royal Society para verificar a natureza elétrica dos relâmpagos:

Para determinar esta questão, se as nuvens que contêm o relâmpago são eletrificadas ou não, eu proporei um experimento para que seja realizado em um lugar onde possa ser convenientemente testado. No topo de alguma torre ou precipício, coloque uma guarita suficientemente grande para conter uma pessoa e um suporte elétrico. No meio deste suporte, coloque uma vareta de ferro curvada para fora da porta e com uma envergadura para cima de 20 a 30 pés e deixe sua extremidade bem pontiaguda. Se o suporte elétrico for mantido limpo e seco, o homem que estiver sobre ele deverá ser eletrificado, quando uma dessas nuvens passar mais baixa e produzir faíscas enquanto a vareta atrai o fogo desta nuvem para si mesma. Se houver algum perigo ao homem (eu creio que não haverá nenhum), deixe-o em pé sobre o chão de sua caixa e de agora em diante, coloque próximo da vareta uma volta de arame com uma de suas extremidades afastadas e a outra envolvida em cera para que ele a segure; então a faísca, se a vareta estiver eletrificada, será lançada da vareta para o arame, sem afetá-lo (FRANKLIN, 1941, p. 222).

Franklin não realizou este experimento, que na verdade era bem perigoso! Apesar do perigo inerente ao experimento, Franklin afirma crer que não vê perigos na realização do mesmo. Como descrito acima, a vareta estaria sobre um suporte e assim acumularia uma grande quantidade de eletricidade. A vareta deve ser aterrada para que o experimentador sobreviva, o que não foi advertido por Franklin. Os franceses Thomas François Dalibard (1703-1779) e Conde de Buffon planejaram realizar em Marly (uma pequena cidade nas redondezas de Paris) o experimento proposto por Franklin, como ilustrado na figura 3. Montaram o aparato e em 10 de maio de 1752 um assistente chamado Coiffier observou os relâmpagos produzirem faíscas que saltavam entre o arame e a vareta aterrada. Esse experimento foi repetido muitas vezes em Marly e também diante do rei Luiz XV que, pessoalmente, enviou a notícia para a Royal Society. Dessa forma, os trabalhos científicos de Franklin tornaram-se famosos na Europa, antes mesmo de se tornarem famosos nos Estados Unidos (HEILBRON, 1999, p. 348-49).

História da Eletricidade

Fig. 3. Montagem de Dalibard e Bufon do experimento proposto por Franklin para captura de raios por uma haste.

Mais tarde, em uma carta para Collinson de 19 de outubro de 1752, Franklin sugeriu um segundo experimento para testar a eletrificação das nuvens, que se tornou muito popular e muito citado, atualmente, em livros didáticos: o experimento da pipa empinada em uma tempestade.

Em nenhum momento Franklin afirma que ele mesmo realizou este experimento; o que ele faz é descrever o experimento que teria sido realizado por alguma outra pessoa:

[…este experimento] foi realizado de outra maneira, mais simples, como descrevo a seguir: Faça uma pequena cruz com duas varetas leves de cedro, com braços suficientemente longos para alcançar os quatro cantos de um lenço de seda, quando esticado; amarre as pontas do lenço às extremidades da cruz, assim você terá o corpo de uma pipa, que sendo complementada com um rabo e corda subirá no ar, como aquelas feitas de papel, mas sendo esta de seda, ela é mais adequada para suportar a umidade e o vento de uma tempestade sem rasgar-se. Um arame bem fino de um pé ou mais deve ser fixado na ponta da vareta perpendicular da cruz. Na extremidade do barbante, próximo à mão, deve-se amarrar uma tira de seda; e onde a seda e o barbante se encontram, uma chave deve ser presa. Esta pipa deve ser empinada quando parecer que o relâmpago se aproxima; e a pessoa que segura a corda deve estar dentro de uma porta ou janela ou sob qualquer cobertura, onde o pedaço de seda não se molhe; alguns cuidados devem ser tomados para que o barbante não toque nos batentes da porta nem da janela. Assim que qualquer uma das nuvens de trovões se aproxime da pipa, o arame pontudo atrairá o fogo elétrico desta para a pipa que, como todo o barbante, será eletrizada; e alguns fiapos soltos do barbante se espalharão por vários locais e serão atraídos quando qualquer pessoa aproximar seu dedo deles. Quando a chuva tiver molhado a pipa e o barbante, ela poderá conduzir eletricidade livremente e você descobrirá um pequeno jorro na chave quando aproximar seu dedo a ela. Com esta chave, a garrafa [de Leyden] poderá ser carregada e do fogo elétrico assim obtido, destilados se acenderão2 e todos os experimentos elétricos que geralmente dependem de tubos ou globos de vidro atritados poderão ser realizados. Portanto, a igualdade entre a matéria elétrica e a [matéria] de um relâmpago estará completamente demonstrada. (FRANKLIN, 1941, p. 265-66)

Agora cabe uma pergunta: se Franklin não afirmou ter realizado o experimento da pipa, de onde surgiu a idéia de que Franklin o realizou? Joseph Priestley (1733-1804) publicou, em 1767, um influente livro sobre a história da eletricidade, o The History and Present State of Electricity.

Neste livro, Priestley relata o episódio da pipa da seguinte maneira: primeiro descreve como a pipa deveria ser construída do mesmo modo que Franklin relatou na carta acima a Collinson. No final da descrição, Priestley diz:

Mas temendo ser ridicularizado por seu possível fracasso, que geralmente ocorre na ciência, ele (Franklin) não comunicou sua intenção de realizar este experimento a ninguém, exceto a seu filho, que o assistiu empinando a pipa (PRIESTLEY, 1966, p. 216-217).

Ora, seria natural que um experimento desta importância fosse repetido em público. Mesmo que isso não ocorresse na primeira vez, seria esperado que, depois de se assegurar que ele funciona, Franklin reunisse outras pessoas para assistirem à realização desse experimento. Em 1766, Priestley trocou cartas com Franklin enquanto elaborava seu livro, nas quais poderia ter mostrado seu relato da experiência da pipa para ele. Aparentemente, Franklin aprovou o relato de Priestley que dizia que o experimento tinha sido realizado por Franklin. Infelizmente, as respostas às cartas recebidas por Priestley não foram preservadas (PRIESTLEY, 1966, p. 14-15). Encontramos este mesmo tipo de relato em obras de outros historiadores da ciência, que provavelmente se basearam na obra de Priestley. Essas obras apresentam uma forte tendência a engrandecer as contribuições de Franklin e são, muitas vezes, chamadas de franklinistas (HEILBRON, 1977). Por outro lado, há historiadores, como um dos biógrafos de Franklin, Carl van Doren, que colocam dúvidas sobre se realmente Franklin foi o primeiro a empinar a pipa em um dia de tempestade e se de fato o fez (Van DOREN, 1938, p. 168).

V. Franklin e os livros didáticos Nesta seção analisamos livros didáticos com o objetivo de avaliar a forma com que a história da eletricidade é narrada e também a visão sobre a natureza da ciência que decorre destas narrativas. Nesta pesquisa, avaliamos 12 livros que tratam do assunto. Em todos há problemas históricos e epistemológicos. Neste artigo, citamos apenas três por limitações do tamanho do texto. No entanto, isso não compromete o que avaliamos, uma vez que os problemas se repetem na maioria das obras avaliadas. No livro A, destinado para a 5a série do Ensino Fundamental, no tópico Será a eletricidade um fenômeno natural? encontramos a seguinte referência à história da eletricidade:

No século XVIII, viveu nos Estados Unidos um curioso cientista, chamado Benjamin Franklin. Deve-se a ele uma experimentação muito simples que mostra que a eletricidade é um fenômeno presente na natureza. Com um grande lenço de seda e uma armação de metal, Franklin construiu uma pipa e empinou-a em um dia de tempestade. Para isso amarrou-a a um fio de algodão, que é um isolante elétrico, ou seja, não permite que cargas elétricas caminhem em seu interior […].

Franklin não era propriamente um cientista, no sentido contemporâneo do termo3. Dedicou poucos anos de sua vida ao estudo sobreeletricidade. Na realidade, seus feitos políticos e invenções ocupam muito mais páginas em suas biografias do que seus estudos científicos propriamente ditos. O experimento proposto por Franklin não tinha como objetivo mostrar que a eletricidade era um fenômeno presente na natureza. Muitas pessoas antes de Franklin já tinham estudado a eletricidade e várias formas de produzi-la. O que o experimento da pipa deveria mostrar é que os relâmpagos também são de natureza elétrica, do mesmo tipo que a eletricidadeproduzida por descargas elétricas geradas em laboratório.

Para sabermos se realmente a eletricidade proveniente dos relâmpagos é do mesmo tipo que a produzida por atrito em máquinas elétricas, é necessário que outros experimentos sejam realizados com a eletricidade acumulada em uma garrafa de Leyden. Mesmo assim, não é possível afirmar com toda certeza que são realmente do mesmo tipo. Há a necessidade da inclusão de argumentos que não são puramente experimentais, mas sim argumentos de ordem epistemológica. No caso, o argumento usado é que se duas coisas apresentam propriedades semelhantes supomos que são iguais. Esse tipo de argumento é conhecido como navalha de Occam que nos diz que não devemos multiplicar as entidades se isso não for necessário: devemos escolher a teoria mais simples4. Com relação ao experimento, não há evidências históricas seguras de que Franklin realmente o executou. A armação da pipa não era de metal, mas sim de madeira. O livro continua afirmando:

Na outra ponta do fio, amarrou uma chave de metal e atou-a a um fio de seda, que permaneceu abrigado da chuva, para que as cargas elétricas das nuvens não descessem à Terra. À medida que o fio de algodão ficava úmido, tornava-se condutor, permitindo que as cargas elétricas da atmosfera chegassem à chave.

No trecho descrito acima, vemos nitidamente algo que é comum em muitos livros que abordam História da Ciência de forma distorcida e simplificada o uso de interpretações anacrônicas, que levam a crer que os cientistas do passado utilizavam os mesmos termos com os mesmos significados atuais. Como visto acima, Franklin utilizava o conceito de fluido elétrico para interpretar os fenômenos elétricos. Embora Franklin utilizasse o termo carregado para designar corpos com excesso de fluido elétrico, devemos tomar cuidados e não interpretar isso como se ele utilizasse o conceito de carga elétrica como conhecemos hoje. A carga elétrica, como uma propriedade fundamental da matéria, como a massa e outras propriedades fundamentais, é um conceito desenvolvido apenas no século XX. Nem mesmo podemos pensar que Franklin estava se referindo aos elétrons, já que estes foram descobertos no final do século XIX. O livro B apresenta uma descrição bem resumida do que teria sido o experimento da pipa. No tópico intitulado por Raios e relâmpagos encontramos:

O norte-americano Benjamin Franklin estabeleceu definitivamente, em 1752, a natureza elétrica do raio, com a seguinte experiência: construiu uma pipa e nela prendeu uma agulha. A linha era de algodão. Na extremidade da linha, prendeu uma chave de ferro. Com um fio de seda (isolante elétrico), amarrou a chave de ferro a uma árvore, mantendo sempre o fio de seda protegido da chuva, portanto seco (grifos nossos).

Como vemos, este trecho pode levar o leitor a pensar que a natureza elétrica dos relâmpagos foi estabelecida apenas após a realização de um experimento. No entanto, como vimos acima, Franklin já tinha essa hipótese antes de propor experimentos para verificá-la. Esse tipo de problema é bem comum em relatos históricos simplificados que ignoram a complexidade da atividade científica. Relatos como esse têm conseqüências para a visão de ciência que transmitem. Nesse caso, há uma visão indutivista implícita, que afirma que os experimentos vêm antes da formulação de hipóteses e que é possível estabelecer definitivamente verdades científicas por meio de experimentos. É também comum entre autores de livros didáticos que não têm conhecimentos históricos adequados ou não consultaram historiadores da ciência acrescentarem e mesmo inventarem detalhes que não estão presentes nos trabalhos originais (MARTINS, 2001). Por exemplo, o trecho do livro B que diz: Com um fio de seda (isolante elétrico), amarrou a chave de ferro a uma árvore… , Franklin não amarrou nem a chave, nem o cordel a uma árvore; não há nenhum relato seu afirmando tal situação. O livro B também considera que Franklin realizou de fato o experimento da pipa, embora, como vimos acima, não há evidências históricas concretas de que Franklin realmente tenha empinado uma pipa durante uma tempestade:

Franklin foi feliz na realização da experiência, porque a chave de ferro não ficou carregada demais.
Caso contrário, poderia até mesmo ter morrido.

Os problemas apontados acima se repetem em livros do Ensino Médio.

O livro C, voltado à 3a série, apresenta uma visão nitidamente indutivista sobre a natureza da produção do conhecimento científico e atribui conceitos atuais a cientistas do passado, como pode ser visto no trecho abaixo:

O famoso político e cientista americano Benjamin Franklin, após realizar um grande número de observações experimentais, constatou que, quando dois corpos são atritados um contra o outro, se um deles se eletrizar positivamente, o outro, necessariamente, irá adquirir carga elétrica negativa.[…] Procurando uma explicação para este fato, Franklin formulou uma teoria, segundo a qual, os fenômenos elétricos eram produzidos pela existência de um fluido elétrico que estaria presente em todos os corpos (grifos nossos).

Como vemos, a idéia ingênua de que há um método científico e que este parte da realização de um grande número de observações experimentais e que as teorias são formuladas para explicar o que foi observado ainda está presente em muitos livros, inclusive de Ensino Médio. Vemos nesse trecho também a mistura entre termos atuais e relatos históricos, dando a impressão de que Franklin já possuísse o conceito de carga elétrica. Além do mais, o livro C ignora as contribuições do grande número de pesquisadores anteriores e contemporâneos de Franklin, dando a impressão de que foi Franklin que fez os experimentos básicos da eletricidade, tais como atritar uma barra de vidro:

Benjamin Franklin, após realizar um grande número de observações experimentais […] Por exemplo: quando uma barra de vidro é atritada com seda, o vidro adquire carga positiva e a seda fica eletrizada negativamente. […] Desta maneira, segundo as idéias de Franklin, não haveria criação nem destruição de carga elétrica, mas apenas a transferência de eletricidade de um corpo para outro, isto é, a quantidade total de fluido elétrico permaneceria constante.

Como vimos anteriormente, Franklin não foi o primeiro a propor a conservação do fluido elétrico. Antes dele, mesmo os que defendiam a existência de dois tipos de fluido elétrico não consideravam que estes seriam criados, mas sim transferidos de um corpo para outro. Em nossa análise, notamos nitidamente algo que é comum em muitos livros que abordam História da Ciência de forma distorcida e simplificada o tipo que os historiadores da ciência chamam de história Whig 5, que interpreta o passado utilizando e valorizando conceitos aceitos atualmente e que constrói narrativas históricas baseando-se em personagens principais , ignorando ou menosprezando os feitos de outros. Um exemplo disso é o fato de nenhum livro citar idéias de Franklin que não foram incorporadas ao conhecimento científico atual e que, no entanto, são centrais nas explicações que apresentou para os fenômenos elétricos observados, tais como atração e repulsão. Um destes conceitos é o de atmosferas elétricas , discutido acima.

VI. Comentários finais A análise de como a história da eletricidade aparece em livros didáticos de Ensino Fundamental e Médio nos mostra que há vários problemas comuns a todos. A história é apresentada de forma distorcida e simplificada, transmitindo uma visão equivocada sobre a natureza da ciência. Entre os problemas, destacamos a existência de erros e imprecisões históricas; a atribuição de feitos e conceitos a um único personagem, no caso Benjamin Franklin, dando a impressão de que somente ele contribuiu para a construção do conhecimento científico sobre eletricidade aceito atualmente; a presença de uma abordagem indutivista que leva a crer que as teorias científicas são construídas a partir de apenas experimentos. Dessa forma, vemos que o maior desafio não é a inclusão de uma maior quantidade de elementos da História da Ciência nos livros didáticos, mas sim a qualidade da História da Ciência incluída. Problemas como os apontados neste artigo são bem comuns em livros didáticos e paradidáticos que abordam temas de História da Ciência, e não apenas de Física (MARTINS; BRITO, 2006; PAGLIARINI, 2007). Na grande maioria dos casos, os professores não têm uma formação adequada em História da Ciência e acabam seguindo o conteúdo destes livros ao prepararem suas aulas. Para evitar problemas como os apontados acima, sugerimos, antes de mais nada, que as editoras desenvolvam trabalhos conjuntos com historiadores da ciência e, com isso, melhorem a qualidade do material disponível. Enquanto isso não ocorre, há algumas dicas que podem ser seguidas pelos professores para detectarem problemas graves no material usado para preparem suas aulas. É importante desconfiarmos de relatos que apresentam descobertas que ocorreram repentinamente, como num passe de mágica, sem relação com trabalhos anteriores de outros pesquisadores. Deve-se desconfiar também de relatos que atribuem a cientistas do passado idéias e termos exatamente iguais aos aceitos atualmente, como por exemplo, afirmar que Benjamin Franklin constatou a existência de cargas elétricas positivas e negativas . Além disso, afirmações de que fulano provou alguma teoria ou idéia também são problemáticas, uma vez que o conhecimento científico não é provado. Também devemos tomar cuidado com textos encontrados na internet, que na maioria das vezes repetem erros e, muitas vezes, criam novos. Acima de tudo, é importante que os professores leiam trabalhos sobre História da Ciência publicados em periódicos especializados e que passaram por uma análise prévia.

Cibelle Celestino Silva Ana Carolina Pimentel

Citações

1 Uma versão inicial deste trabalho foi apresentada no X Encontro de Pesquisa em Ensino de Física.

2 Franklin está se referindo aos experimentos muito populares na época nos quais destilados e álcoois em geral entram em ignição após serem expostos a descargas elétricas.

3 Na época de Franklin (primeira metade do século XVIII), a ciência começou a passar por um período de institucionalização e as várias áreas científicas começaram a se estabelecer. Um cientista na época, que poderia ser chamado de filósofo natural , era uma pessoa que dedicava a maior parte de seu tempo a estudar fenômenos naturais, geralmente vivendo de mecenato, negociando instrumentos científicos ou trabalhando para alguma das sociedades científicas existentes desde o século XVII. O termo cientista foi introduzido em 1833 por William Whewell para se referir a um especialista no estudo da natureza.

4 Este tipo de argumento é muito usado na ciência. Newton usou-o em seus estudos sobre a natureza da luz branca. Veja, por exemplo, (SILVA, MARTINS, 2003).

5 A expressão interpretação Whig da História foi introduzida pelo historiador Herbert Butterfield para se referir ao tipo de História que interpreta o passado como uma evolução crescente, linear, que leva àquilo que se quer defender atualmente.

Referências

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HOME, R. W. Franklin s electrical atmospheres. British Journal for the History of Science, v. 6, p. 131-151, 1972. . Nollet and Boerhaave: A note on 18th century ideas about electricity and fire. Annals of Science, v. 36, 171-176, 1979.

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Fonte: www.ifsc.usp.br

História da Eletricidade

A HISTÓRIA DO CONHECIMENTO SOBRE A ELETROSTÁTICA Há milênios o homem observa os raios e trovões nos dias de tempestade. Mas começaremos a nossa história sobre eletricidade estática há cerca de dois mil e seiscentos anos, perto da costa ocidental do lugar que hoje conhecemos como Turquia. Havia ali uma cidade chamada Mileto, antiga colônia grega onde nasceu e viveu um homem curioso e culto, conhecido como Thales de Mileto, e que tinha curiosidade sobre um material em particular – uma resina oriunda das árvores nativas, conhecido como âmbar (WATSON, 1945).

O âmbar é uma substância que apresenta odor agradável, que se acentua quando ele é friccionado com os dedos. Thales provavelmente friccionou o âmbar e observou que depois disso, a peça atritada atraía pequenos e leves objetos, como pequenos pedaços de linha.

Constatou existir, portanto, uma estranha e inexplicável força de atração oriunda do processo de fricção do âmbar.

Sem uma explicação para tal fenômeno, ele registrou o que havia observado. Por não encontrar-se nenhuma aplicação prática para o fenômeno, o mesmo permaneceu como uma simples curiosidade até por volta do século XVI D.C.

Por volta de 1570 um inglês, de nome William Gilbert, interessou-se pelo âmbar e suas peculiares propriedades. Testando outros materiais, tais como pedras preciosas e vidro, constatou que outras substâncias também apresentavam tal propriedade de atrair objetos leves (CAVALHEIRO, 1942). O âmbar é denominado elektron em Grego, e electrum, em Latim, e devido a isto, todas as substâncias que tinham capacidade de atrair objetos, depois de friccionadas, passaram a ser chamadas por Gilbert de elétricas, com a intenção de evidenciar que apresentavam mesma propriedade do âmbar.

Por volta de 1650 um inglês, de nome Walter Charleton, chamou de eletricidade à propriedade de atração, usando esta palavra pela primeira vez com este sentido (CAVALHEIRO, 1942).

História da Eletricidade

Figura 1 Otto Von Guericke nasceu em 1602 na cidade de Magdeburgo e morreu em 1686 em Hamburgo. Físico alemão que se notabilizou pelo estudo do vácuo e da eletrostática.

Foi o cientista alemão, Otto Von Guericke, que ante a necessidade de acumular mais eletricidade para seus experimentos usou, em 1672, uma substância amarela chamada enxofre, que aparentava apresentar os mesmos efeitos do âmbar quando atritado (DELAUNAY, 1809).

Guericke construiu uma esfera de enxofre com uma manivela em um dos lados e colocou-a em suporte de madeira de tal forma que podia girá-la usando esta manivela. Usando a outra mão sobre a bola de enxofre enquanto ela era girada, pela fricção, obteve maiores quantidades de eletricidade (GUERICKE, 1672). Estava inventada a primeira máquina eletrostática de que se tem notícia.

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Figura 2 Ilustração da bola de enxofre de Otto Von Guericke.

A esfera de enxofre, quando carregada, emitia fagulhas luminosas em direção a objetos colocados a seu redor, visíveis mesmo à luz do dia (GUERICKE, 1672).

Segundo Delaynay (DELAYNAY, 1809), em 1730 os cientistas Stephen Gray, na Inglaterra, e Charles Du Fay na França, realizaram experiências friccionando tubos de vidro, com mais ou menos um metro de comprimento e observando que eles atraiam também pequenos objetos, o que levou-os a concluir que de alguma forma a eletricidade havia penetrado neles (WATSON, 1748).

Observando que após algum tempo a capacidade de atrair objetos se desfazia, e imaginando que isto se devia ao fato do fluido elétrico se esvair, Gray fechou as extremidades do tubo de vidro com rolhas de cortiça, observando então que os pequenos objetos, uma vez que o tubo fosse carregado, eram atraídos por estas rolhas também. Ele havia friccionado apenas o vidro, e não as rolhas, e concluiu que, ao colocar eletricidade no tubo, ela de alguma forma penetrara também nas rolhas de cortiça.

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Figura 3 Trecho de Philosophical Transactions of the Royal Society # 37, 1731 1732.

De acordo com Gray,

Água e ar podem ser postos a viajar através de tubos ocos. É o que chamamos de corrente. Líquidos e gases podem correr: o rio é uma corrente de água e o vento é uma corrente de ar, e desta forma posso afirmar que a eletricidade também assim se comporta (GRAY, 1732, p.287).

A partir daí passou-se a usar a expressão corrente elétrica como denominação da passagem de eletricidade.

Depois deste experimento, Gray procurou investigar o quão longe poderia se propagar a eletricidade, colocando uma esfera de marfim pendurada por um pedaço de barbante fixado a uma das rolhas na extremidade do tubo de vidro. Testou usando pedaços maiores, até a esfera de marfim ficar na extremidade de um barbante com cerca de 3 metros de comprimento, constatando que a esfera de marfim ainda era capaz de atrair objetos. Então, para poder testar distâncias maiores, ele teve que fixar o barbante no teto de seu laboratório.

Estendeu vários metros, indo e voltando formando um zig-zag em sua oficina. As duas pontas do barbante ficaram pendentes no teto. Numa delas, Gray prendeu o tubo de vidro, e na outra, a bola de marfim. Mas, dessa vez, a bola de marfim não atraiu pena alguma, por mais que Gray friccionasse o tubo de vidro – parecia que subitamente a eletricidade havia parado de fluir pelo barbante. Possivelmente ele deve ter se perguntado: seria o barbante muito longo, teria ele encontrado um trajeto extenso demais para a eletricidade?

Após mais alguns experimentos ele concluiu que problema não era o percurso da eletricidade na verdade constatou que não havia mais eletricidade ali. Alguma coisa havia mudado o comportamento do conjunto tubo / barbante / bola de marfim – o que poderia ter sido? Supondo que a eletricidade escapava pelo barbante quando este fazia contato com o teto por causa da espessura do mesmo, fios de seda muito finos foram então usados para sustentar o barbante. Desse modo, a corrente elétrica, ao passar pelo barbante, não poderia alcançar o teto, a menos que atravessasse os fios de seda, e estes eram supostamente finos demais para permitir a passagem da eletricidade.

Esta idéia se confirmou experimentalmente, pois quando friccionava o vidro em uma das extremidades do barbante, a bola de marfim, na outra ponta, atraía pequenos objetos, independentemente do comprimento do barbante. Segundo sua carta à Royal Society (GRAY, 1732, p.288) ele testou um fino arame de latão, em vez de fios de seda, para sustentar o barbante e a esfera de marfim, quando o comprimento deste primeiro tornou-se tão longo que os fios de seda começaram a se romper. Observou novamente que a manifestação da eletricidade desaparecera, constatando posteriormente que não era o diâmetro do material a causa de haver ou não a condução da eletricidade, mas a natureza de seu material.

Classificou então os materiais que pôde testar em dois tipos: os condutores, aqueles que permitiram a passagem da eletricidade, e os não condutores, aqueles que não permitiram sua passagem (GRAY, 1732, p.285). Gray pôde concluir, então, por que o vidro, âmbar, enxofre e outros materiais eram eletrificados por fricção – eram todos não condutores. Uma vez friccionados, enchiam-se deeletricidade que não podia ir a parte alguma. Propôs que se um pedaço de metal fosse friccionado, o fluido elétrico penetraria em quase tudo que o tocasse, tão rápida e facilmente que nenhuma eletricidade ficaria no metal. E, se o metal tocasse num não-condutor, tiraria todo o fluido elétrico que o não-condutor pudesse conter.

Gray demonstrou que qualquer corpo podia carregar-se de eletricidade: prendendo um menino ao teto, com fortes fios isolantes, ligando-o a uma máquina eletrostática como a de Guericke, comprovando depois que penas prenderam-se ao menino e à sua roupa.

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Figura 4 Ilustração do experimento feito por Joseph Gray com um menino suspenso em fios isolantes.

Charles Francis Du Fay, na França, também realizou alguns experimentos nesta mesma época, investigando a eletricidade e suas propriedades. Cobriu um pequeno pedaço de cortiça com finíssima camada de ouro e pendurou-a, por um fio de seda, ao teto. Tocando o pedaço de cortiça com uma vara eletrificada, essa eletricidade passaria para a cobertura externa, de ouro, e depois para a cortiça. Sendo a cortiça e o ouro sustentados pela linha de seda e não fazendo contato com nenhum outro objeto, a eletricidadesupostamente não poderia escapar (ROLLIN, 1752).

Outro pedaço de cortiça foi preparado do mesmo modo que o primeiro, e pendurado ao lado dele, no teto, afastados cerca de 5 cm. Certificando-se que não havia correntes de ar na sala, para que os dois pedaços de cortiça não saíssem da posição vertical, friccionou um bastão de vidro com um pedaço de seda, tocando-o em seguida em um dos pedaços de cortiça.

Como esperava, houve atração entre a cortiça eletrificada e a que não havia sido tocada. Os dois pedaços de cortiça, com cobertura de ouro, em vez de ficarem pendurados verticalmente, inclinaram-se levemente um em direção ao outro. Supondo que se ambos fossem eletrificados a força de atração entre os dois pedaços de cortiça duplicaria, Du Fay tocou primeiro um dos pedaços de cortiça, depois o outro. Para seu espanto, a atração entre os pedaços de cortiça não ficou mais forte ao invés disto eles estavam afastando-se um do outro, ou repelindo-se.

Surpreso com o resultado obtido, e desconfiando de um possível problema com o bastão de vidro, decidiu usar outro material, diferente do vidro. Testando um bastão de resina que antes friccionou com lã, encostou-a nos dois pedaços de cortiça, e observou novamente que eles afastaram-se um do outro, repelindo-se, repetindo o que havia sido observado antes, usando o vidro.

Observou também Du Fay que se ele tocasse uma das cortiças com o vidro e outra com o bastão de resina, elas atraíam-se. Isto o levou a concluir que havia dois tipos de fluidos elétricos – um era o tipo de fluido que enchia o vidro quando era friccionado e o outro era o que enchia a resina -… há dois tipos distintos de eletricidade, muito diferentes um do outro; um dos quais eu chamoeletricidade vítrea, e o outro eletricidade resinosa. (DU FAY, 1734).

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Figura 5 Trecho de “A Discourse concerning Electricity”, de Charles François de Cisternay Du Fay.

Os resultados dos estudos de Gray, Du Fay e outros despertaram na comunidade científica grande interesse, e experimentos começaram a ser realizados em diversos lugares da Europa.

Diversas hipóteses foram formuladas acerca da natureza dos fenômenos elétricos e da própria eletricidade, gerando teorias diversas e explicações nem sempre aderentes ao que hoje sabemos sobre ela.

Partindo do princípio de que a eletricidade poderia ser uma espécie de fluido, formas de poder armazená-la começaram a ser investigadas. Por volta de 1745 um professor holandês, chamado Pieter Van Musschenbroek, trabalhando na universidade de Leyden, na Holanda, descobriu uma forma de armazenar eletricidade em uma garrafa, e por isso o novo invento, hoje conhecido como capacitor, passou a chamar-se garrafa de Leyden.

Segundo escreveu o professor Musschenbroek (MUSSCHENBROECK, 1751, p.252), ele procurava armazenar cargas elétricas em um tanque com água, imaginando que dado o grande volume de água muita eletricidade ali poderia ser acumulada. Descobriu por acaso que se tocasse o suporte metálico que sustentava o tanque e a água uma descarga acontecia, o que o levou a sentir um choque elétrico. Isto comprovou que eletricidade havia sido armazenada no conjunto tanque/suporte, e possibilitou conceber o condensador, baseado em uma garrafa com água em seu interior e revestida de metal por fora. O invento recebeu o nome de garrafa de Leyden em homenagem à universidade onde foi inventada, e hoje este dispositivo é conhecido como capacitor.

Em 1775 o cientista italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta apresentou à comunidade científica o dispositivo que ficou conhecido como eletróforo de Volta, considerado hoje em dia o precursor das máquinas de indução eletrostática, ou máquinas de influência. Mediante operações simples é possível obter cargas induzidas no prato condutor, suficientes para experimentos com eletrostática. Devido ao fato de que é possível recarregar o disco de material condutor repetidas vezes, sem a necessidade de atritar o disco isolante, Volta denominou seu invento de eletróforo perpétuo (FLEURY, 1883).

Experimentos com eletricidade deixaram de ser feitos apenas por estudiosos e apresentações nas cortes de muitos países na Europa se tornaram comuns neste período de tempo a Europa estava em pleno iluminismo. Os conhecimentos acumulados até então processos de indução eletrostática, atrito, carga, armazenamento de eletricidade, entre outros, permitiram que diversos fabricantes começassem a produzir as máquinas eletrostáticas, dispositivos que eram interessantes para pesquisa e demonstrações com eletricidade.

Pesquisadores independentes desenvolveram distintos tipos de dispositivos para gerar altas diferenças de potencial, adequados aos experimentos e demonstrações sobre eletricidade que eram feitos na época as máquinas eletrostáticas.

Máquinas eletrostáticas são geradores mecânicos de eletricidade estática. São divididas, devido a seu princípio de funcionamento, em dois grandes grupos: as de atrito, baseadas na separação de cargas por atrito físico entre dois materiais de natureza diferente, e de indução, também chamadas máquinas de influência, que se baseiam no efeito da multiplicação de tensão por indução eletrostática. As máquinas de atrito, tais como as máquinas de Ramsden em sua versão francesa e inglesa, foram as primeiras formas desenvolvidas para a produção de eletricidade em uma quantidade tal que pudesse ser usada em experimentos e pesquisas, e praticamente toda a pesquisa inicial sobre eletricidade foi realizada com estes curiosos dispositivos como fonte de energia. Mais tarde foram desenvolvidas as máquinas de influência, mais potentes, sendo a mais conhecida delas a máquina de Wimshurst, ainda hoje encontrada em muitos laboratórios de Física. A partir de meados do século XIX já se conheciam formas mais práticas para a obtenção de eletricidade, usando geradores eletromagnéticos e baterias, baseados nas descobertas de Faraday, Öersted e outros, e o interesse pelo desenvolvimento destes dispositivos praticamente desapareceu. Ao fim do século XIX surgiram, por breve período de tempo, aplicações médicas em eletroterapia e como fontes de alimentação para primitivas máquinas de raios X. No século XX o gerador Van de Graaff e seus derivados encontraram aplicação em laboratórios de pesquisa em Física de alta energia, aplicação esta que persiste até hoje. Atualmente as máquinas eletrostáticas são pouco conhecidas, com muito de sua história esquecida, apesar de que os conhecimentos adquiridos com seu desenvolvimento permitiram a criação de inúmeras aplicações que conhecemos: impressoras jato de tinta, pára-raios, copiadoras de documentos, filtros para chaminés de fábricas são apenas alguns exemplos de aplicações originárias no desenvolvimento dos conhecimentos sobre eletrostática.

FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS ELETROSTÁTICAS MÁQUINAS DE ATRITO De forma resumida pode-se afirmar que as máquinas de atrito realizam de forma prática o efeito conhecido desde Thales de Mileto, de que alguns materiais ficam eletrizados quando atritados. O contato entre materiais de diferente natureza, reforçado pelo atrito entre eles, provoca a transferência de cargas elétricas entre os materiais, que são a seguir afastados, com o conseqüente aumento da tensão elétrica entre as cargas separadas.

A máquina eletrostática de atrito mais primitiva de que se tem notícia foi desenvolvida por Otto Von Guericke. Foi a partir do final do século XVII que vários pesquisadores independentemente aperfeiçoaram a máquina de atrito: Francis Hauksbee, na Inglaterra, passou a usar globos de vidro girados por sistemas de polias e correias que eram atritados pelo contato com as mãos (WATSON, 1748). O uso das mãos para atrito foi gradualmente substituído pelo uso de almofadas de couro, melhoria esta que é atribuída a Johann Winkler, por volta de 1744 (DELAYNAY, 1809). Atribui-se a Georg Matthias Bose a forma final da máquina de atrito com globo. Ele incluiu um coletor de cargas isolado, coletando carga da superfície do globo pela proximidade.

Em 1752, na Inglaterra, surgiu a máquina de atrito que usava um cilindro de vidro, com almofada de atrito e coletor de carga com pontas. Máquinas similares foram populares por muito tempo, conhecidas como máquinas de Edward Nairne (VIGOUROX, 1882).

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Figura 6 Máquina de Nairne. A evolução, neste caso, foi substituir o globo por um cilindro de vidro, mais fácil de construir, e que oferecia maior superfície de contato, gerando mais cargas.

{rtf1ansiansicpg1252uc1 {fonttblf0fromanfcharset0 Times New Roman;}pardplainqlf0fs20 {fs24 Jesse Ramsden, cientista inglês, substituiu então o globo ou cilindro de vidro por umpar disco de vidro que girava entre almofadas de couro por uma manivela, e as cargas erampar coletadas por pentes de pontas em ambos os lados dos discos e armazenadas em cilindros oupar canos de metal isolados, geralmente feitos de latão, um dos poucos metais disponíveis naquelapar época (VIGOUROX, 1882). Em algumas versões, o disco, após tocar as almofadas, erapar encoberto por uma capa de tecido isolante para minimizar o acúmulo de umidade e descargaspar parciais para as almofadas.}}

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Figura 7 Máquina de Ramsden, estilo Frances. Sua maior inovação foi o emprego de um disco ao invés de um globo ou cilindro para a geração de cargas. É seguramente a mais popular das máquinas de atrito.

Outras versões de máquinas de atrito foram as de Georg Karl Winter e de Jean Baptiste Le Roy, que consistem em um disco de vidro montado em um eixo que é atritado em um lado por uma pequena almofada revestida de couro, e que tem coletores de carga em forma de anel com pontas voltadas para o disco do outro lado. Tensões positivas são coletadas nos coletores de carga, e negativas nas almofadas isoladas.

O armazenamento de cargas elétricas nas máquinas eletrostáticas da época era realizado em formas metálicas, normalmente cilíndricas ou esféricas. Para obter grandes quantidades de carga empregavam-se peças de grandes dimensões, normalmente feitas de latão. A invenção das garrafas de Leyden possibilitou a implementação de máquinas de pequenas dimensões, com grandes capacidades de armazenamento, adequadas aos laboratórios de pesquisa e de escolas.

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Figura 8 Garrafa de Leyden sendo carregada em uma máquina eletrostática de Ramsden.

As garrafas de Leyden se tornaram acessórios indispensáveis para as máquinas eletrostáticas de atrito, como forma de armazenar energia e promover a geração de faíscas elétricas que chamavam a atenção nas cortes da época.

MÁQUINAS DE INDUÇÃO ELETROSTÁTICA Por volta de 1775, Alessandro Volta, cientista italiano, inventou um aparelho hoje conhecido como eletróforo de Volta. Ele é um dispositivo que consiste em uma placa isolante eletrizada por atrito que se coloca sob uma placa metálica presa a um cabo isolante. Se a placa metálica é colocada sobre a placa isolante que foi previamente eletrizada e é tocada, ela carrega-se com carga oposta à da placa eletrizada, e a carga assim carregada pode ser disponibilizada afastando-se uma da outra segurando a placa metálica pelo cabo. Ao afastar-se a placa condutora isolada da superfície da placa isolante eletrizada provoca-se um aumento da tensão desta primeira, e a tensão assim obtida pode ser usada para experimentos com eletricidade estática. Este processo pode ser repetido enquanto a placa isolante permanecer eletrizada, e é chamado de carregamento por indução, ou, buscando distinguir o efeito da indução eletromagnética, carregamento por influência eletrostática. Este processo, que não depende de atrito para separação de cargas, é a base do funcionamento das máquinas de influência (GRAY, 1903).

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Figura 9 O eletróforo de Volta: sua invenção possibilitou a aplicação do conceito de indução eletrostática, ou influência, no desenvolvimento das máquinas eletrostáticas.

Abraham Bennet, em 1797 (GRAY, 1903) descobriu que uma modificação do eletróforo podia gerar cargas maiores por sucessivas duplicações de uma pequena carga inicial. O dobrador de Bennet consiste de três placas condutoras isoladas entre si, que através de movimentos e conexões cíclicas realiza um processo que dobra a carga em duas das placas, a cada ciclo completado.

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Figura 10 O dobrador de Bennet é um eletróforo com três placas que dobra a carga a cada ciclo através de um complicado processo manual.

Historicamente a primeira máquina rotativa de indução parece ter sido o chamado dobrador de Nicholson, concebido e construído por Wiliam Nicholson, cientista inglês, em 1788 (GRAY, 1903). Trata-se de uma versão rotativa do dobrador de Bennet, que faz todas as conexões necessárias automaticamente ao girar-se uma manivela.

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Figura 11 O Dobrado de Nicholson permite a obtenção de potenciais eletrostáticos mais elevados por automatizar as operações de envolviam conexões entre as placas.

Outro dispositivo, também desenvolvido no final do século XVIII foi o multiplicador de Cavallo, por Tiberius Cavallo. Tal dispositivo é um instrumento mais confiável que o dobrador de Bennet, já que ele funciona com todas as placas condutoras submetidas à baixas tensões durante a operação de multiplicação. A grande contribuição de Cavallo, entretanto, foi a constatação de que todo e qualquer material mantém sempre um pequeno desequilíbrio de cargas em relação ao meio ambiente, conceito este que permitiu explicar o processo de autoexcitação das máquinas eletrostáticas que iniciam sua operação sem a necessidade de uma carga inicial, como a produzida por atrito.

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Figura 12 Ilustração de um multiplicador de Cavallo, inventado em 1788.

Uma aplicação do multiplicador de Cavallo parece ter sido a máquina de Wilson, que foi inventada em 1804 (GRAY, 1903) e que consiste em dois multiplicadores de carga de Cavallo, montados de tal maneira que um provocava um incremento na carga do outro. Um processo efetivo para aumentar as cargas geradas por influência eletrostática foi idealizado por Giuseppe Belli na Itália, em 1831 (GRAY, 1903).

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Figura 13 Máquina de Wilson, que é um aperfeiçoamento do multiplicador de Cavallo, e que foi concebida em 1804.

A chamada máquina de Varley (inventada por C. F. Varley) foi a primeira de uma série de máquinas de influência potentes. Em 1865 Wilhelm Holtz, na Alemanha, apresentou sua máquina de influência de Holtz (Patente numero 74139, de quatro de fevereiro de 1868) que teve fundamental importância no processo de desenvolvimento das máquinas de influência. A máquina de Holtz funciona como um eletróforo de Volta duplo, tendo placas indutoras que são carregadas por cargas geradas na superfície traseira do disco rotativo. Holtz aperfeiçoou sua máquina fazendo-a mais estável e independente das condições ambientais colocando uma barra neutralizadora. Ele desenvolveu posteriormente uma máquina com dois discos que giram em sentidos opostos, chamada de máquina de Holtz do segundo tipo, em 1869.

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Figura 14 Máquina de Holtz do primeiro tipo.

A primeira máquina construída por Toepler, em 1865 (GRAY, 1903) é um tipo de eletróforo contínuo, duplo, que usa dois discos rotativos e com duas placas indutoras, em duas seções fisicamente separadas entre si e com um único eixo, comum aos discos. Toepler, usando setores nos discos e escovas metálicas nos coletores de carga, fez com que sua máquina fosse capaz de iniciar sua operação sem a necessidade de uma carga externa inicial.

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Figura 15 Máquina de Toepler com dois discos rotativos.

A máquina de Voss foi inventada em 1889 (Patenteada sob numero 410053, de 27 de Agosto de 1889) por Robert Voss, e é uma variação da primeira máquina de Holtz. Nela, as placas indutoras são carregadas a partir da frente do disco rotativo, que por sua vez tem um conjunto de botões metálicos fixados à sua superfície. Tocando estes botões instalam-se escovas metálicas na barra metálica neutralizadora e nos contatos que carregam os indutores, o que permite a auto-excitação da máquina (GRAY, 1903).

Em 1883, James Wimshurst, inventor inglês, apresentou sua máquina, que ficou conhecida como a máquina de Wimshurst e que pode ser encontrada em laboratórios de ensino de Física até hoje. Ela consiste em dois discos feitos de material isolante com uma série de setores metálicos colados em sua superfície que giram em sentidos opostos, separados por uma pequena distância; duas barras condutoras cruzadas que fazem o papel de neutralizadores, uma em frente a cada um destes discos, e peças em forma de U com pontas viradas para os discos e que são colocadas no sentido horizontal dos mesmos. As cargas geradas são então usualmente aplicadas a garrafas de Leyden que se carregam com enormes potenciais, o que possibilita a obtenção de faíscas brilhantes e ruidosas, adequadas para experimentos e demonstrações.

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Figura 16 A máquina de Wimshurst: seguramente o modelo mais conhecido de máquina de indução eletrostática (CASTELFRANCHI, 1908, p.422)

Um fabricante de máquinas eletrostáticas italiano passou a produzir, por volta de 1894, uma versão da máquina de Wimshurst sem os setores metálicos, que produzia tensões ainda mais elevadas que esta, que ficou conhecida com o nome deste fabricante – a máquina de Bonetti (FORD, 2001).

Em 1908, Heinrich Wommelsdorf patenteou a máquina de Wommelsdorf (Patenteada sob o número 882508, de 17 de março de 1908), mais eficiente que suas antecessoras e capaz de operar em ambientes com muita umidade relativa do ar problema este comum a quase todas as máquinas eletrostáticas.

A máquina de Wehrsen, patenteada em 1909 (Patenteada sob o numero 36027 emitida na Áustria) pelo construtor Alfred Wehrsen, é uma máquina de Holtz com setores encapsulados no disco móvel, e indutores isolados por placas isolantes no disco fixo. Em 1960 surgiram também os chamados Dirods, nome oriundo da conjunção de parte das palavras Disk e Rod, de A. D. Moore, que são máquinas que usam varetas fixadas a discos para transportar as cargas que são separadas por indução eletrostática (MOORE, 1982).

A era do desenvolvimento e aperfeiçoamento das máquinas eletrostáticas que empregavam discos chegou ao seu fim com a invenção do gerador eletrostático de Robert Van de Graaff, patenteado em 1935. Segundo consta na patente do invento feito por Van de Graaff, a tensão máxima obtida com geradores eletrostáticos a disco (máquinas eletrostáticas) e dispositivos elétricos (transformadores) com retificadores chegava a não mais que 700 kV, e demandas para diferenças de potencial mais elevadas se faziam presentes, o que o levou a conceber este novo tipo de gerador (GRAAFF, 1935). Consiste o mesmo basicamente em uma correia de material altamente isolante que ao se movimentar sobre roletes transporta cargas elétricas até o interior de uma esfera na qual a carga é extraída e se acumula na sua superfície.

Com esta arquitetura pode-se conseguir potenciais muito altos. Na patente 1.991.236, de 12 de Fevereiro de 1935, o próprio Van de Graaff apresenta o projeto de um gerador para produzir mais de 10MV (GRAAFF, 1935)

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Figura 17 O próprio Robert Van de Graaff demonstra seu invento, em 1935.

Existem variações do gerador Van de Graaff, como o Pelletron, desenvolvido em 1984 que usa cadeias de peças metálicas isoladas entre si no lugar de uma correia contínua. Este método é interessante por causa da durabilidade do conjunto, maior que o de correias isolantes convencionais, e também porque distribui de forma mais uniforme as cargas extraídas, o que contribui para a obtenção de maiores potenciais elétricos para equipamentos equivalentes.

Fonte: www.faiscas.net

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Eletricidade é uma forma de energia, um fenômeno que é um resultado da existência de cargas elétricas.

A teoria de eletricidade e seu inseparável efeito, Magnetismo, é provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias científicas.

O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invenção de motores, geradores, telefones, radio e televisão, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear. A eletricidade é uma necessidade para a civilização moderna.

Elétrons Livres

Quando um átomo apresenta energia interna acima do índice normal dizemos que ele está excitado. Este excesso de energia faz com que os elétrons que se encontram no exterior do átomo abandonem sua órbita.

Quando um átomo perde ou ganha elétrons passa a ser chamado de íons. Dizemos que ele se torna um íons positivo quando perde elétrons e se, ao contrário, ele ganhar elétrons, ficará carregado negativamente e passará a ser chamado íons negativo.

Alguns elétrons de certos átomos metálicos estão relativamente livres para transportar-se de um átomo a outro. Estes elétrons livres são quem constituem o fluxo de corrente elétrica nos condutores elétricos.

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Condutores e Isolantes

Um bom condutor é aquele que oferece a menor resistência para o fluxo da corrente.A energia elétrica é transmitida através dos condutores por meio do movimento dos elétrons livres que passam de átomo a átomo dentro do condutor. O cobre é considerado um bom condutor pois possui uma grande quantidade de elétrons livres.

Cada elétron se move a uma pequena distância até o átomo vizinho retirando-se fora de sua órbita.

O corpo humano é um bom condutor de elétrons, uma vez que apresenta elevada porcentagem de água que conduz os íons, principalmente Na+ e Cl-. Os maus condutores, ou isolantes, são os corpos que necessitam de elétrons porque tem muito poucos elétrons livres. São exemplos de isolantes a madeira seca, a mica e o vidro.

Em eletricidade são utilizados os bons condutores na construção de cabos e fios metálicos e os maus condutores são empregados como isolantes.
Campos Elétricos O espaço entre os corpos carregados eletricamente e o que os rodeia e no qual se faz sentir a influencia dessas cargas se denomina campo elétrico de forças ou campo eletromagnético.

O campo elétrico não necessita de meios de união mecânicos ou físicos com os corpos.

Pode estar presente no ar, vidro, papel, sendo que em qualquer tipo de material os campos de força de projetam em todas direções no espaço. Partindo-se do ponto de origem, estes campos de força diminuem à medida que a distância deste ponto aumenta. Quando conectamos o polo negativo da fonte geradora ao local da aplicação observamos que os elétrons livres começam a mover-se em direção ao polo positivo.

Este fluxo de elétrons que é denominado corrente elétrica e que flui por um condutor pode ser medido em ampère que é representado pelo símbolo I.

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A HISTÓRIA DA ELETRICIDADE

Carga Elétrica

Eletricidade repele o mesmo tipo e atrai o tipo oposto. Cientistas pensavam que a fricção realmente criava a eletricidade, porém eles não notavam que uma igual quantidade de eletricidade oposta ficava na pele ou na seda.

Franklin ficou conhecido com a Garrafa de Leyden , uma garrafa recoberta por dentro e por fora com folhas de estanho.Foi o primeiro Capacitor, um dispositivo utilizado para estocar carga elétrica. A Garrafa de Leydem poderia ser descarregada tocando o seu interior e seu exterior recoberto de estanho simultaneamente, causando um choque elétrico na pessoa. Se um condutor de metal fosse usado, uma faísca poderia ser vista e ouvida. Franklin tinha dúvidas de que o raio e o trovão eram um resultado de uma descarga elétrica. Durante uma tempestade em 1752, Franklin empinou uma pipa que tinha uma extremidade de metal. No fim da chuva, na linha condutora de cânhamo da pipa empinada, ele atou uma chave de metal, na qual amarrou um barbante de seda não condutor que colocou em sua mão. O experimento foi extremamente arriscado, mas o resultado foi inconfundível: quando ele colocou os nós de seus dedos perto da chave, ele pode atrair faíscas para si. O outros dois que tentaram esse experimento extremamente perigoso morreram.

Força Elétrica

O fisicista francês Charles A . de Coulomb, cujo nome é usado para designar a unidade de carga elétrica. Este fato aconteceu depois deste realizar uma série de experimentos, que adicionou importantes detalhes (bastante precisos) à prova de Priestley. Ele também desenvolveu a teoria de dois fluidos para cargas elétricas, rejeitando tanto a idéia da criação de eletricidade pela fricção e o modelo de um único fluido de Franklin.

Hoje a lei da força eletrostática, também conhecida como Lei de Coulomb, é expressa da seguinte forma: se dois pequenos objetos, separados por uma distância “r”, tem cargas “p” e “q” e estão em repouso, a magnitude da força F entre elas é dada por F=kpq/rr, onde “k” é uma constante. De acordo com o Sistema Internacional de Medidas, a força é medida em Newtons, a distância em metros, e a carga em Coulombs.

Também foi concluído que cargas de sinais opostos se atraem, enquanto aquelas que possuem o mesmo sinal se repelem.

Um Coulomb (C) representa uma grande quantidade. Para manter um Coulomb positivo (+C) 1m de distância de um Coulomb negativo (-C) seria necessário uma força de 9 bilhões de Newtons. Uma nuvem eletricamente carregada típica pode caudar um raio que possui uma carga de 30 Coulombs.

Potencial Elétrico

Por causa de um acidente, no século XVIII o cientista italiano Luigi Galvani começou uma cadeia de eventos que culminaram no desenvolvimento do conceito de voltagem e a invenção da bateria. Em 1780, um dos assistentes de Galvani noticiou que uma perna de rã dissecada se contraria, quando ele tocava seu nervo com um escalpelo. Outro assistente achou que tinha visto uma faísca saindo de um gerador elétrico carregado ao mesmo tempo. Galvani concluiu que a eletricidade era a causa da contração muscular da rã. Ele, erroneamente pensou, entretanto, que o efeito era devido à transferência de um fluido, ou “eletricidade animal”, em vez daeletricidade convencional.

Bateria

Outro dispositivo capaz de trabalho elétrico é o Capacitor, um descendente da Garrafa de Leyden, que é usado para estocar carga. Se uma carga “Q” é deslocada entre placas de metal a voltagem sobe para uma quantidade V. A medida utilizada para medir o quanto de carga um capacitor pode estocar é a Capacitância “C”, onde C=Q/V. Carga flui de um capacitor da mesma forma que na bateria, mas com uma diferença significante. Quando a carga deixa as placas do capacitor, não possível obter mais sem recarregar o dispositivo. Isso acontece devido o caráter conservativo da força elétrica. A energia liberada não pode exceder a energia estocada. Essa capacidade para realizar trabalho é denominada Potencial Elétrico.

Um tipo de conservação de energia é também associado com a fem. A energia elétrica obtida de uma bateria é limitada pela energia estocada nas ligações químicas das moléculas. Tanto a fem como o potencial elétrico são medidos em volts, e, infelizmente, os termos voltagem (também chamada tensão), potencial e fem são usados indistintamente. Por exemplo, no caso da bateria o termo potencial muitas vezes é utilizado em lugar de fem.

Tensão

Dispositivos para o desenvolvimento de tensão inclui baterias, geradores, transformadores e geradores de Van de Graaff.

Corrente Elétrica

Uma carga elétrica em movimento é denominada corrente elétrica. A magnitude de uma corrente é a quantidade de carga passado em um determinado ponto (seção de um fio) por segundo, ou I=Q/t, onde Q é a quantidade de carga em Coulombs que passa na seção do fio. A unidade utilizada para medir corrente é o Ampere, que é igual a 1 Coulomb/s.

Por ser a fonte do magnetismo também, a corrente é a ligação entre eletricidade e magnetismo. Em 1819 o fisicista dinamarquês Hans Christian Oersted descobriu que uma agulha de bússola era afetada pela passagem de corrente em um fio. Quase que imediatamente, Andre Ampere na França descobriu a lei da força magnética. Michael Faraday na Inglaterra e Joseph Henry nos Estados Unidos adicionaram a ideia da indução magnética, pelo qual uma variação do campo magnético produz um campo elétrico. Esse foi o início para a formulação da teoria eletromagnética de James Clerk Maxwell.

Atualmente, um moderno amperímetro pode detectar correntes muitos baixas da ordem de 1/ 100.000.000.000.000.000 amperes, que é apenas 63 elétrons por segundo. A corrente em um impulso nervoso é aproximadamente de 1/100.000 amperes, um relâmpago atinge uma corrente de 20.000 amperes,e uma bomba nuclear chega a 10.000.000 de amperes com 115V.

Muitos materiais são Isolantes. Neles todos os elétrons estão nos limites dos átomos e não permite um fluxo de cargas, menos quando submetidos a altos campos elétricos que proporcionam uma “quebra” dessas iterações dos elétrons. Então, em um processo denominado ionização, os elétrons mais “frouxos” são arrancados dos átomos, formando um fluxo de corrente. Essa condição existe durante uma tempestade elétrica. A separação de cargas entre as nuvens e o chão cria um grande campo elétrico que ioniza os átomos do ar, pelo qual é formado um caminho de condução elétrica entre as nuvens e o chão (relâmpago).

Resistência

Embora um condutor permita o fluxo de cargas, isso não ocorre sem uma perda de energia. Os elétrons são acelerados por um campo elétrico. Em geral, eles se movem a distâncias razoáveis, porém eles colidem com alguns dos átomos do condutor, diminuindo sua velocidade ou mudando sua direção. Como resultado, eles perdem energia para os átomos. Essa energia aparece como calor, e essa dispersão é uma resistência para a corrente.

Em 1827 um professor alemão de nome Georg Ohm demonstrou que a corrente em um fio aumenta em proporção direta com a tensão V e com área A da seção transversal do fio, e em proporção inversa ao comprimento L do fio. Dessa forma, a corrente também depende das propriedades do material, a Lei de Ohm é então escrita em dois passos, I=V/R e R=pI/A, onde p é a resistividade. A quantidade R é denominada Resistência. A Resistividade depende apenas do tipo de material. A unidade de resistência é o Ohm , onde 1 ohm é igual a 1volt/amp.

No chumbo, um condutor razoável, a resistividade é 22/100.000.000 ohm-metro; no cobre, um excelente condutor, é apenas 1,7/100.000.000 ohm-metro. Onde altas resistências entre 1 e 1 milhão ohms são necessárias, Resistores são feitos de materiais como o carbono, que tem uma resistividade de 1.400/100.000.000 ohm-metro.

Certos materiais perdem sua resistência quase que completamente quando submetido a uma temperatura de alguns graus acima do zero absoluto. Esses materiais são denominados de Supercondutores. Algumas substâncias recentemente encontradas mantêm a supercondutividade em temperaturas mais elevadas.

O calor resistivo causado pelo choque dos elétrons é um efeito muito importante e é usado em alguns dispositivos elétricos como a lâmpada incandescente. Em um resistor, a potência P, ou energia por segundo, é dada por P=(I ao quadrado).R.

Teoria Elétrica da Matéria

A possibilidade que a eletricidade não consista de um uniforme e contínuo fluido provavelmente ocorreu a muitos cientistas. Mesmo Franklin, uma vez, escreveu que o “fluido” consiste de “partículas extremamente sutis”.

Todavia, uma grande quantidade de evidências tinham se acumulado antes da eletricidade ser aceita como formada por minúsculas partículas, quantidades discretas, e não mais como um fluido, quando vista microscopicamente. James Clerk Maxwell se opôs a teoria corpuscular. Por volta do fim do século XIX, entretanto, o trabalho de Sir Joseph John Thompson (1856-1940) e outros provaram a existência do elétron.

Elétron

Thompson tinha medido a proporção da carga do elétron para a sua massa. Então em 1899 ele deduziu um valor para a carga eletrônica pela observação do comportamento de uma nuvem de minúsculas partículas de água carregadas em um campo elétrico. Essa observação conduziu ao Experimento da Gota de Óleo de Millikan.

Robert Millikan, um fisicista da Universidade de Chicago, com a assistência de um estudante Harvey Fletcher, procuraram medir a carga de um único elétron, um objetivo ambicioso em 1906. Uma minúscula gotinha com um pequeno excesso de elétrons foi formada forçando o líquido através de um dispositivo especial. A gota foi então, em verdade, suspendida, com um campo elétricoatraindo para cima e a força gravitacional puxando para baixo. Para a determinação da massa da gota de óleo e do valor do campo elétrico, a carga na gota foi calculada. O resultado: a carga do elétron “e” é negativa e tem como magnitude 1,60/10.000.000.000.000.000.000 Coulombs.

Millikan também determinou que as cargas sempre aparecem com um valor de mais ou menos”e”, em outras palavras, a carga é quantizada. Outras partículas elementares descobertas depois tiveram também suas cargas determinadas e foi possível notar que seguiam esta mesma característica. Por exemplo, o Positron, descoberto em 1932 por Carl David Anderson do Instituto de Tecnologia da Califórnia, é exatamente a mesma do elétron, exceto que esta é positiva.

Estrutura Atômica

A maior parte da matéria, em geral, é neutra. A tendência é que para cada próton (carga positiva) no átomo, para este ser eletricamente neutro, deve existir um elétron (carga negativa), e a soma das cargas deve ser nula. Em 1911, Ernest Rutherford propôs um modelo para o átomo. Ele sugeriu que os elétrons orbitavam um núcleo carregado, com um diâmetro de 1/100.000.000.000.000 metros, da mesma forma que os planetas orbitavam o Sol. Rutherford também sugeriu que o núcleo era formado por prótons, sendo que cada um teria uma carga de “+e”.

Essa visão da matéria, ainda considerada correta em muitos casos, estabilizou a força elétrica que mantém um átomo unido. Depois que Rutherford apresentou seu modelo atômico, o fisicista dinamarquês Niels Bohr propôs que os elétrons ocupam apenas certas órbitas em torno do núcleo, e que outras órbitas são impossíveis.

Conclusões

Esta foi uma pequena introdução sobre a História da Eletricidade e sobre algumas das descobertas mais importantes deste ramo da ciência, que é fundamental atualmente para o desenvolvimento e sobrevivência da Humanidade.

Durante o curso de Engenharia Elétrica muitos dos conceitos citados acima no texto, e outros, são discutidos de uma forma mais aprofundada e aplicados na construção de equipamentos e dispositivos os quais são conhecidos do público, mas cujo o funcionamento é completamente ignorado, e às vezes “encarado” como se fosse pura magia.

Fonte: www.ene.unb.br

História da Eletricidade

PERSONAGENS DA HISTÓRIA DA FÍSICA ELETRICIDADE

1. TALES DE MILETO (625 a.C – ?)

Os gregos consideram Tales o mais antigo de seus filósofos e supõe-se que ele trouxe seu conhecimento do Egito.

Tales é considerado um dos precursores da Ciência, pois procurou substituir explicações místicas sobre o universo por explicações com algum cunho científico.

Consta que tenha medido a altura de uma pirâmide egípcia a partir de sua sombra, comparando-a com a sombra de uma pequena haste, aplicando a semelhança de triângulos.

Para Tales e seus seguidores, deveria existir uma substância única (substância fundamental) que permaneceria imutável mesmo participando de fenômenos mutáveis do universo. Segundo eles, essa substância era a água.

Os astros teriam natureza terrestre, embora fossem todos incandescentes como o Sol, e a Lua seria iluminada pela luz solar, o que possibilitaria a explicação dos eclipses lunares.

Existe uma lenda que diz ter Tales previsto a ocorrência de um eclipse solar, que de fato ocorreu segundo cálculos astronômicos atuais em 585 a.C. Essa previsão teria sido utilizada para assustar os exércitos que participavam de uma guerra, fazendo-os acertar um acordo de paz.

Os primeiros registros de fenômenos eletrostáticos vem dessa época, segundo os quais tecelões ao esfregarem bastões feitos de âmbar (resina vegetal fossilizada) em lã de ovelha (ou até em pelo de gato) observavam que os referidos bastões adquiriam a capacidade de atrair pequenos pedaços de palha de milho.

O mesmo ocorria com os carretéis (feitos de âmbar) usados para enrolar fios de lã ou algodão. Após o constante atrito do carretel com os fios, eles passavam a atrair outros pedaços de fios ou mesmo a eriçar o pelo dos braços dos tecelões.

Em grego, o termo âmbar se escreve elektro.

Daí vem o nome eletricidade.

Dos filósofos antigos, apenas de Tales temos algum registro sobre Eletricidade.

2. WILLIAM GILBERT (1544 1603)

O inglês William Gilbert vivia em Londres, onde exercia a função de médico na corte (na época da rainha Elizabeth I). Além de médico, como era comum aos intelectuais da época, dedicava-se ao estudo da Ciência, interessando-se pelos fenômenos físicos.

Os fenômenos magnéticos tornaram-se sua área de interesse, tendo ele demonstrado que a agulha de uma bússola se desviava nas proximidades de uma esfera imantada.

Ao observar que outros materiais além do âmbar atraíam pedaços de tecido de lã, concluiu que o fenômeno que ocorria entre o âmbar e os pedaços de palha de milho, também ocorriam com muitas outras substâncias.

Assim, se os fenômenos que ocorriam com o eléktro (âmbar) ocorriam de forma idêntica com outros materiais, então esses materiais tinha o comportamento do elektro. Vem daí a popularização do termo eletricidade.

3. CHARLES DÜ FAY (1698 1739)

Cientista francês, verificou a existência de dois tipos de fluidos elétricos, observando que fluidos de mesma espécie se repeliam e de espécies diferentes se atraiam. Observou também que alguns materiais conduziam facilmente esses “fluidos”, enquanto outros não conduziam.

Nos trabalhos de Dü Fay encontra-se o embrião da relação de atração e repulsão entre cargas elétricas. Observe que, nessa época, não se usava a expressão carga elétrica. Por isso ele utilizou-se do termo fluido, comum a época, utilizado nos estudos de hidrostática.

4. BENJAMIN FRANKLIN (1706 1790)

Nascido nos Estados Unidos quando ainda era colônia das potências européias, 1Franklin foi destacado político de sua época, tendo participação nos processos da independência de seu país, em 1776.

Indivíduo de múltiplas habilidades foi também cientista, pintor e escritor.

Na Ciência, sua principal área de estudo foi a eletricidade, tendo interessado- se pela experimentação conhecida como Garrafa de Leyden, que após carregada eletricamente, ao ser tocada emitia uma faísca acompanhada de um estampido.

Imaginando ser esse fenômeno um raio em miniatura, Franklin elaborou uma experimentação para testar sua hipótese.

Em 1752, empinou uma pandorga quando o céu estava coberto de nuvens, propenso ao surgimento de raios, conseguindo (com muita sorte de não ter morrido) coletar eletricidade das nuvens.

Conhecedor dos dois fluidos elétricos, passou a denominá-los eletricidade positiva e eletricidade negativa, mesmo sem ter noção de carga elétrica.

5. CHARLES A. DE COULOMB (1736 1806)

Coulomb trabalhou como engenheiro militar até os 40 anos, quando, por problemas de saúde, passou a se dedicar às pesquisas e a experimentação científica.

Para determinar o módulo da força elétrica entre corpos carregados eletricamente, Coulomb inventou a chamada balança de torção.

Este dispositivo foi adaptado e, mais tarde, utilizado para determinar a constante de gravi tação universal. Foi através desse dispositivo que Coulomb comprovou experimentalmente a expressão do cálculo da força elétrica, conhecida como Lei de Coulomb.

6. ALESSANDRO VOLTA (1745 1827)

Italiano, nascido em Como, só começou a falar aos 4 anos de idade, o que levou seus parentes a suspeitar que era mudo.

Teve educação condizente a alguém de família rica e tradicional, com muitos parentes entre o clero religioso da época.

Aos 18 anos iniciou seus trabalhos de investigação e pesquisa em Eletricidade.

Em 1774 inventou um aparelho chamado eletróforo, que conseguiu acumular grande quantidade de carga elétrica e que é o precursor dos capacitores utilizados atualmente.

Quando Luigi Galvani descobriu que os músculos de pernas de rãs já mortas se contraiam ao receber descargas elétricas e que esse fenômeno se repetia mesmo quando os músculos eram simplesmente colocados em contato com dois metais diferentes, Volta fez um experimento demonstrando ser possível descargas elétricas entre os dois metais sem a participação de tecidos musculares.

Anos após, conseguiu demonstrar experimentalmente que era possível obter corrente elétrica estável e contínua a partir de um sistema constituído por diversos recipientes contendo uma solução salina (bateria elétrica). Em seguida bolou a pilha elétrica, empilhando diversas placas de cobre e de zinco intercalados com papel ou tecido embebido de solução salina. Essa idéia é o princípio da pilha elétrica utilizada até em dias atuais.

Em sua homenagem, a unidade de potencial elétrico (e de tensão elétrica – ddp) no sistema internacional de unidades é o volt.

7. THOMAS A. EDISON (1847 1931)

Devido sua dificuldade de adaptação na escola convencional, recebeu educação acadêmica em casa, ministrada por sua mãe, que era professora.

Já a partir dos 12 anos começou a trabalhar como jornaleiro, em uma linha de trens, conseguindo montar, a partir de um laboratório de química, meios de imprimir seu próprio jornal.

Com 15 anos aprendeu telegrafia e, aos 21 anos, patenteou seu primeiro invento, um dispositivo para registrar votos mecanicamente.

A partir daí foi para Nova York onde sua carreira de inventor ascendeu.

Em 1876 criou um laboratório de pesquisas industriais, iniciando seu trabalho com aproximadamente 80 colaboradores, tendo conseguido patentear, em 4 anos, em torno de 300 experimentos.

Édison aperfeiçoou o telefone, inventado por G. Bell, e inventou um aparelho de reprodução sonora, o fonógrafo, “tataravô” de nossos aparelhos de som atuais.

Em 1871, iniciou os trabalhos para obter luz a partir de energia elétrica, em uma época em que não havia rede elétrica. Partiu do princípio de que se a lâmpada elétrica desse certo, criaria dispositivos para a geração e transmissão de energia elétrica que alimentaria a lâmpada.

Em 1878, uma lâmpada por ele construída brilhou por 48 horas contínuas e, na comemoração de final de ano, uma rua inteira, próxima ao seu laboratório, foi iluminada por lâmpadas elétricas.

A foto abaixo mostra a primeira lâmpada criada por Édison.

História da Eletricidade

Dois anos depois construiu a primeira estação geradora de corrente elétrica, que produzia corrente contínua, gerando o início de um conflito com cientistas como Tesla e Westinghouse, que defendiam a utilização da corrente alternada.

As criações de T. Edison não são propriamente científicas, no sentido puro do termo, mas muito mais ligadas a fatos do cotidiano.

VOCÊ SABIA QUE …

Em 1879, no mesmo ano em que Thomaz Édison patenteou a lâmpada elétrica e construiu a primeira usina hidrelétrica, em New York, o imperador D.

Pedro II inaugurou a iluminação elétrica no Brasil, na antiga Estação da Corte, hoje Estação D. Pedro II, no Rio de Janeiro, com seis lâmpadas elétricas, dando início ao uso de energia elétrica gerada por processos mecânicos em nosso país.

A primeira usina hidrelétrica no Brasil entrou em atividade em 1889, denominada “Marmelos”, em Minas Gerais.

A partir de 1920 o Brasil foi tendo o seu número de usinas hidrelétricas instaladas aumentado, num crescimento constante.

Hoje, 96% da energia elétrica que consumimos (no Brasil segundo a Eletrobrás) vem de usinas hidrelétricas, sendo que o complexo de Itaipú, com potência instalada de 12 600 megawatts, é a maior usina em operação no mundo.

Fonte: www.pascal.com.br

História da Eletricidade

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Força elétrica

Potencial elétrico

Bateria

Tensão

CHOQUE ELÉTRICO

Efeitos fisiológicos da corrente elétrica

Raios

O que são raios?

Os raios são perigosos?

Perguntas e respostas sobre os raios

É perigoso tomar banho em chuveiros elétricos durante as tempestades?

Não devemos operar aparelhos elétricos e telefônicos durante as tempestades?

É possível se proteger contra os raios?

É possível proteger equipamentos elétricos e telefônicos contra raios?

É possível proteger casas e edificações contra raios?

Existem os raio e o corisco?

O que é “raio-bola”?

Caem mais raios em locais rochosos?

Redes elétricas que cortam fazendas aumentam os riscos com raios?

História da Eletricidade

RESUMO

História da Eletricidade

História do Semicondutor

Referências

História da Eletricidade

UMA ANÁLISE DA HISTÓRIA DA ELETRICIDADE PRESENTE EM LIVROS DIDÁTICOS: O CASO DE BENJAMIN FRANKLIN

História da Eletricidade

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História da Eletricidade

PERSONAGENS DA HISTÓRIA DA FÍSICA ELETRICIDADE

VOCÊ SABIA QUE …

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