A descoberta e a tecnologia

    

Após concluir que os trovões e relâmpagos ou raios eram produzidos por gigantescas descargas elétricas, Franklin fez algumas experiências com descargas envolvendo corpos com diferentes formas e concluiu:  

É mais fácil descarregar um objeto usando outro objeto pontiagudo do que com um objeto rombudo.

   Esta conclusão levou Franklin a supor que uma longa haste metálica pontiaguda, colocada acima do telhado de uma casa ou outra construção e conectada a terra (ou para-raios pontiagudo), poderia ser bem mais eficiente para descarregar as nuvens de tempestades do que a própria construção.

   Inicialmente, houve controvérsias com relação à eficiência das hastes pontiagudas em relação às hastes rombudas. Mas o dispositivo imaginado por Franklin funcionou muito bem e o manto protetor, dos pára-raios pontiagudos, começou a ser usado para proteger edifícios em todo o mundo.

O fenômeno e a tecnologia do futuro

    

Na figura de cima, um ímã de neodímio (também chamado de ímã de terras raras) está sobre um plástico para separá-lo de uma pastilha de cerâmica supercondutora. Inicialmente nada acontece, pois na temperatura ambiente a cerâmica não é supercondutora e se o plástico for retirado, o ímã cai sobre a pastilha. Mas quando se coloca nitrogênio líquido sobre a cerâmica, a sua temperatura cai para aproximadamente -195 graus Celsius. Neste momento, o plástico é retirado e o ímã levita sobre a pastilha de cerâmica.

   O fenômeno observado acima ocorre porque um supercondutor exclui a linhas de indução magnética que deveriam penetrar no interior do ímã de neodímio. Como nos supercondutores a resitência elétrica é nula, surgem correntes elétricas que geram um campo magnético no seu interior contrário ao campo ao campo do ímã que está sobre o plástico. Este efeito é conhecido como Efeito Meissner, e uma aplicação que é muito popular, na demonstração da supercondutividade, é a chamada levitação magnética mostrada na segunda figura.

   O fenômeno da supercondutividade não é apenas um fenômeno que serve para despertar a curiosidade das pessoas, pois os supercondutores são usados nos equipamentos de alta tecnologia como, por exemplo, na construção de dispositivos supercondutores de interferência quântica, que são considerados os magnetômetros mais sensíveis conhecidos, e são usados nos microscópios de varredura e na magnetoencefalografia. 

   No futuro, a supercondutividade deverá ter aplicações tecnológicas extremamente úteis para a humanidade como, por exemplo, redes inteligentes de alto desempenho, transmissão de energia elétrica sem perdas sob a forma de calor e transformadores mais eficientes. A supercondutividade também possibilitará o desenvolvimento de dispositivos mais eficientes para armazenar energia, de motores para a propulsão de veículos de transporte coletivo como o trem MAGLEV, de dispositivos de levitação magnética, de limitadores de correntes e muitos outros equipamentos de alta tecnologia.

Ciência e tecnologia (o segredo do forno de microondas)

    

As moléculas de água são polares, pois o centro das cargas positivas não coincide com o centro das cargas negativas. Assim, cada molécula de água forma um dipolo elétrico. As microondas fazem esses dipolos girarem e, devido à resistência, essa rotação provoca a dissipação da energia das microondas sob a forma de calor. Quando colocamos o alimento no forno de microondas as moléculas de água que estão no alimento possibilitam o seu aquecimento através desse mecanismo.

Ciência e tecnologia (a invenção de Marconi)

   As ondas ou radiação eletromagnética com as frequências obtidas, inicialmente,

por Hertz ficaram conhecidas como ondas de rádio. Durante algum tempo, Hertz transmitia e detectava ondas de rádio, mas sem usá-las como um meio de comunicação à distância.

   Mas, em 1894 o jovem Guglielmo Marconi, em férias nos Alpes, deparou-se com um artigo que descrevia as experiências de Hertz. Após estudar os resultados dessas experiências, Marconi voltou às pressas para casa e transformou o celeiro em laboratório onde estudou os princípios da transmissão de ondas eletromagnéticas.

   Neste laboratório, ele usou uma bateria como fonte de eletricidade e uma bobina de indução para produzir faíscas elétricas entre duas bolas de 


Guglielmo Marconi (1874 - 1937)
metal gerando uma oscilação semelhante às produzidas por Hertz. Como receptor Marconi usou um Coesor situado a alguns metros de distância que, ao ser atingido pelas ondas, acionava uma bateria que fazia uma campainha tocar.

Funcionamento do coesor

   Em 1894, Oliver Lodge (1851 – 1940) desenvolveu um aparelho

aperfeiçoado para detectar ondas de rádio. Este aparelho consistia de duas pequenas esferas separadas por um pequeno espaço. Lodge demonstrou como funcionava o seu coesor em uma palestra em 1894: O aparelho foi ligado em série com uma bateria (vide figura ao lado).

   Quando se deu uma centelha em um circuito próximo, as esferas se juntaram, o circuito fechou e a campainha começou a tocar. Ela continuou a tocar até as esferas serem separadas por uma pequena batida.

   Em seguida, Lodge colocou a campainha no mesmo plano das esferas, a vibração da primeira batida da campainha foi suficiente para separar as esferas. Assim, cada centelha provocava apenas um toque da campainha.

Salvando vidas

   Como não havia interesse por suas experiências na Itália, Marconi foi para a Inglaterra em 1896. Em 1899, ele conseguiu a transmissão sem fios do código Morse através do canal da Mancha. Dois anos mais tarde, conseguiu transmitir sinais radiotelegráficos através do Atlântico Norte. A partir daí, ele desenvolveu a técnica de radiotelegrafia e, em 1909, recebeu com Karl Ferdinand Braun, o Nobel de Física. No mesmo ano, 1,7 mil pessoas foram salvas de um naufrágio graças ao sistema de radiotelegrafia de Marconi (a embarcação enviou um SOS, “save our souls”, salve nossas almas). Em 1912 a companhia de Marconi já produzia aparelhos de rádio para navios.

   Em 12/10/1931, Marcomi apertou um botão em Roma para acender as luzes do Cristo redentor, no Rio de Janeiro, na noite de inauguração da estátua.

   A radiação eletromagnética é uma forma de energia que se espalha para todos os lados à medida que se propaga. A luz visível de uma lâmpada e as ondas de rádio que são emitidas por uma emissora são dois exemplos da radiação eletromagnética.  As ondas de rádio têm comprimentos de onda que vão de alguns km a 0,3m.

   Para a radiação eletromagnética, há uma relação entre a frequência, o comprimento de onda e a velocidade de propagação da radiação:

Frequência= (velocidade de propagação)/(comprimento de onda)  

Assim, é possível concluir que as frequências das ondas de rádio estão em um intervalo de alguns Hz até 1000.000.000Hz (Hertz). Além das emissoras de rádio e televisão, essas ondas também são geradas por dispositivos eletrônicos oscilantes. As ondas de rádio são utilizadas na obtenção de imagens através da ressonância eletromagnética nuclear (Nuclear Magnetic Resonance Imaging).

   

Essas ondas também são emitidas por estrelas e gases acumulados em algumas regiões do espaço. Obviamente, as estrelas e os gases não transmitem músicas para se ouvir e dançar, mas elas são usadas na pesquisa para se determinar a natureza dos gases localizados em algumas regiões do espaço e algumas características das estrelas.

Ciência e tecnologia (a descoberta das ondas de rádio)

Circuito para demonstrar a natureza da descarga de uma centelha.

   Para compreender as experiências que levaram à descoberta das ondas de rádio, precisamos desvendar a natureza oscilatória das centelhas produzidas nas descargas elétricas sob determinadas condições.

   Suponha um circuito igual ao da figura ao lado, consistindo de um condensador (ou vaso de Leyden), uma bobina de indução e uma abertura de centelha formada por duas pequenas esferas.

   Após carregar o condensador, aproximamos lentamente uma esfera da outra, a voltagem entre as placas do condensador (ou vaso de Leyden) provoca subitamente uma centelha.

  Em 1842, quando Joseph Henry (1797 – 1878) realizou esta experiência, ele percebeu que a corrente não fluía continuamente em um único sentido, ela oscilava de um lado para outro até a dissipação de toda a energia. Este fenômeno é análogo à oscilação de um pêndulo. 

Verificação experimental

   Corte o fio do circuito da figura anterior em um ponto qualquer como indicado na figura ao lado e insira um pedaço de papel mata-borrão embebido em uma solução de iodeto de potássio (KI) misturada com amido. Agora, a corrente passa através do papel mata-borrão, mas a eletrólise resultante libera iodo no pólo positivo.

   Como o iodo dá ao amido uma coloração azul intensa, a região que ficar mais próxima do pólo positivo deve tornar-se azul, deixando a outra extremidade sem alteração de cor. Mas a experiência mostra que o amido deixa ambas as extremidades do papel mata-borrão com a cor azul.

   Conclusão, a corrente não flui num único sentido, ela oscila de um lado para outro. Em uma única descarga, durante menos de um milésimo de segundo, pode ocorrer milhares de oscilações.

   Em 1886, Hertz mostrou que a descarga de uma única centelha produz uma corrente alternada (CA) com uma frequência enormemente grande.

Experiências de Hertz

  

Em suas experiências, Hertz usou um circuito “condutor primário” - ou antena transmissora, como se diz atualmente - com duas placas de latão, com aproximadamente 40cm de lado, ligadas por um fio de cobre com 60cm de comprimento. No meio deste fio havia uma abertura de centelha, na qual as oscilações da centelha eram produzidas pelas descargas de uma bobina de indução. O condutor foi colocado a 15cm acima do piso com o plano das placas na vertical, vide figura acima. O circuito secundário - ou antena receptora, como se diz atualmente – consistia de um fio dobrado na forma de um retângulo para formar um circuito quase fechado. O seu tamanho foi escolhido de maneira que sua frequência natural de oscilação coincidisse com a frequência do circuito primário.

   Sob as condições descritas acima, os dois circuitos entravam em ressonância elétrica quando ocorria uma descarga elétrica. As duas placas de latão funcionam como as placas de um vaso de Leyden, tendo o ar como meio dielétrico entre elas. Como o espaço entre elas é relativamente grande, o campo elétrico entre essas placas se estende por uma região relativamente grande.

   Em um vaso de Leyden, o campo elétrico fica confinado numa região estreita determinada pela espessura do vidro. O arranjo usado por Hertz possibilita a irradiação de uma grande quantidade de energia para o espaço sob a forma de ondas eletromagnéticas, toda vez que ocorre uma oscilação de corrente entre as placas.

Ciência e tecnologia (as descobertas que levaram à invenção da radiotelegrafia)

   A influência de campos magnéticos sobre a luz sugeria uma relação entre esses fenômenos. Em 1864 James Clerk Maxwell (1831 – 1879) estudou todos os trabalhos de seus predecessores e encontrou uma unidade fundamental em todos os fenômenos eletromagnéticos. Ele conseguiu resumir todos os conhecimentos sobre eletricidade e magnetismo em quatro equações, que receberam seu nome.

   Ele mostrou com essas equações (Equações de Maxwell) que campos elétricos ou magnéticos variáveis não podiam ser considerados isoladamente. Um campo elétrico variável induz um campo magnético variável, que por sua vez induz um campo elétrico variável e assim por diante. Esses campos induzidos se propagam em todas as direções e o resultado é uma radiação eletromagnética em forma de onda.

   Em 1886, Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894) obteve oscilações elétricas de alta frequência e inventou um sistema de anel aberto do qual saltavam faíscas, quando atravessado pelas ondas eletromagnéticas. Suas primeiras ondas tinham um comprimento de onda de 30 metros.

   Depois, ele conseguiu ondas com um comprimento de 30 centímetros. Com essas ondas, ele verificou todas as propriedades das ondas luminosas: difração, reflexão por espelhos planos e curvos, refração e polarização.

   Em 1893, Hertz conseguiu medir a velocidade de suas ondas eletromagnéticas e verificou que elas se propagam aproximadamente com a mesma rapidez que a luz.  Essas experiências comprovaram totalmente as previsões de Maxwell.

   Em 1894, um artigo que descrevia as experiências de Hertz motivou as pesquisas que levaria rapidamente à invenção da radiotelegrafia. Em 1909, uma embarcação enviou um SOS, “save our souls”, salve nossas almas e, assim, 1,7 mil pessoas foram salvas de um naufrágio.

Ciência e tecnologia (a bússola e o relógio marítimo)

   Ao longo da história, podemos verificar como o desenvolvimento da ciência e da tecnologia afetou a maneira do ser humano viver. Por exemplo, após a invenção da bússola os marinheiros europeus se tornaram ousados o suficiente para se aventurarem no oceano atlântico e iniciar a “Era das Viagens de Descobrimento” que mudaria o mundo.

   A construção primeiro cronômetro marítimo de precisão pelo carpinteiro John Harrison (1693 - 1776) ajudou a Inglaterra a se tornar uma grande potência mundial. Pois foi esta invenção que tornou possível a determinação da longitude nas viagens marítimas de longas distâncias.

   O leitor pode estar argumentando que esses dois exemplos mostram como a tecnologia afetou a humanidade, mas onde está a ciência básica?  Para verificar o papel da ciência fundamental na invenção e, obviamente, a compreensão dos fenômenos físicos envolvendo a bússola requer o conhecimento da sua história.

   De acordo com a tradição, Tales de Mileto foi o primeiro a observar e estudar de maneira sistemática a atração envolvendo o ferro e a magnetita (um tipo de minério de ferro). A cidade de Mileto (na costa da atual Turquia), onde Tales viveu, ficava próxima à cidade chamada Magnésia (na Ásia Menor).

   A amostra de minério que ele estudou vinha desta cidade, por isso Tales chamou este minério de ferro de “rocha da Magnésia”. Consequentemente, este minério ficou conhecido como magnetita, os materiais que atraem o ferro, agora, são chamados de magnetos ou ímãs e o fenômeno é conhecido como magnetismo.

William Gilbert (1540 – 1603)

   O estudo moderno do magnetismo e da eletricidade começou com trabalho de Gilbert. Seus estudos foram registrados em um grande livro, De magnete (“Sobre o Ímã”) publicado em 1600.

   Ele usou como modelo da Terra uma magnetita esférica e, além de localizar os seus pólos, fez um mapa das suas propriedades magnéticas.

   Gilbert observou que o comportamento da agulha da bússola (incluindo a sua orientação norte-sul e o mergulho magnético) era exatamente igual ao seu comportamento em relação à magnetita esférica.

   Assim, ele concluiu que esta magnetita globular experimental realmente se comportava como uma Terra em miniatura, e a chamou de terrella. O comportamento magnético desta terrella levou Gilbert a supor que a Terra se comporta como um imenso ímã esférico.

Galileu Galilei e Christian Huygens (1629 -1695)

  A construção do relógio marítimo foi precedida pelas pesquisas realizadas por Galileu e Huygens. A falta de um equipamento para medir pequenos intervalos de tempo, com precisão, dificultou muito os estudos sobre o movimento realizados por Galileu. Ele chegou a fazer uso da própria pulsação em algumas ocasiões. Embora a pulsação seja um fenômeno periódico, esta periodicidade varia com o tempo. Ele chegou a construir um “pulsômetro” para medir a pulsação de pacientes no hospital. Este mecanismo era um pequeno pêndulo, pois pesos suspensos por uma corda são chamados de pendulums em latim, esta palavra significa “pendurando” ou “balançando”.

   Huygens fez um estudo detalhado e salientou inclusive as imperfeições do pêndulo. Ele mostrou que um pêndulo real não é um pêndulo simples, pois é necessário levar em conta a massa da linha ou da haste e o volume da esfera. Ele mostrou que o período de um pêndulo é realmente constante quando ele oscila ao longo de uma curva chamada de ciclóide. Este período constante de oscilação oferece para a humanidade um grande benefício, isto é, uma maneira de medir o tempo com grande precisão, pois basta contar o número de vibrações, mesmo no caso de vibrações amortecidas.

   Obviamente, as invenções que afetaram a humanidade em grande escala no passado não são apenas essas duas.  Na próxima postagem, vou escrever sobre as pesquisas que levaram à invenção da radiotelegrafia.