Trabalho de História da Eletricidade

Nome: Allan Patrick Rocha Pereira

DRE: 114079656

O estudo dos fenômenos teve início com o filósofo pré-socrático Tales de Mileto. Esse estudo se conduziu com base no comportamento do âmbar (do grego “eléktron”) que, ao ser atritado, atraia outros corpos. Entretanto, na época, muitas das explicações eram bastante rústicas e baseadas em respostas mitológicas, mas ainda assim de fundamental importância para a história da eletricidade.

Centenas de anos depois, na Idade Média, se iniciou um estudo mais forte principalmente dos fenômenos magnéticos (devido à, principalmente, a bússola). Dentre os estudiosos da época se destaca o trabalho de Pedro de Maricout, que modelou a atração de imãs com base em seus polos e postulou que os polos de um imã são indivisíveis.

No Renascimento continua a busca pela explicação dos fenômenos magnéticos, tendo destaque os nomes de Porta, Cordan e Robert Norman. Porém, muitas das explicações dadas por esses autores tinham embutidos conceitos fictícios, muitas vezes atribuindo algum nível de consciência ao fenômeno.

No ano de 1600, William Gilbert revolucionou o estudo da eletricidade ao publicar sua obra “De Magnete”. A obra de Gilbert tentava dar uma visão mais cientifica para o estudo da eletricidade e do magnetismo e com isso obteve resultados importantíssimos, como o de que a Terra possuía um campo magnético próprio.

William foi o primeiro a propor que a eletricidade e o magnetismo eram fenômenos distintos e que o fenômeno elétrico não é uma propriedade do âmbar, mas uma propriedade dos corpos em geral. Além disso, William foi pioneiro em utilizar conceitos como o de força e atração elétrica.

Com base nos estudos de Gilbert, outros pesquisadores desenvolvem o estudo do magnetismo. Pensadores como Kepler, Descartes, Boyle, Gassendi e Otto von Guericke todos tiveram seus estudos e pensamentos influenciados devido à obra revolucionária de Gilbert.

Destes citados acima um dos mais importantes foi Kepler, este tentou generalizar a existência de polos terrestres a outros corpos celestes, afirmando que o sol e outros planetas também possuíam cada um seus polos. Ia além ao afirmar que o

movimento de rotação dos planetas em torno do sol era resultado dessa presença de polos em cada corpo. Seguindo as conclusões de Gilbert, Kepler determinou que planetas mais próximos do sol estariam em velocidades de orbita superiores, devido à relação de distância do efeito magnético.

Já Otto Von Guericke e, posteriormente, Francis Hauskbee fizeram diversos experimentos e foram pioneiros na engenharia do que é conhecido como gerador eletroestático, sendo o de Hauskbee um aprimoramento do gerador de Guericke. As experiências de Guericke e Hauskbee são um ótimo reflexo de como se dava o estudo da eletricidade no século XVII, com o foco sendo em experiências e invenções e pouco avanço sendo realizado no entendimento e explicação dos fenômenos em si.

Outro pesquisador relevante foi Stephen Gray por seus estudos pioneiros na condução de eletricidade e da eletrização por indução. Gray foi o primeiro a observar e estudar mais a fundo os fenômenos de condução elétrica e com isso foi capaz de dividir os corpos em dois grandes grupos: os corpos condutores de eletricidade e os corpos não condutores de eletricidade.

Com seus estudos sobre eletrização por indução, Stephen Gray postulou que nem todo corpo pode adquirir eletricidade por si só, sendo necessários outros corpos para adquirir essa virtude. Tais conceitos acabariam por resultar, futuramente, na distinção entre dois tipos diferentes de carga.

Por volta da metade do século XVIII, já é possível notar um grande

aperfeiçoamento das máquinas elétricas, inicialmente idealizadas por Guericke e

Hauksbee, principalmente na Alemanha. Esse desenvolvimento era uma consequência

do entusiasmo de pesquisadores em estudar o fenômeno elétrico, que ainda possuía

muito a ser compreendido. Esse entusiasmo se intensificou com uma experiência da

garrafa de Leyden, que permitia a armazenagem de energia elétrica em um material.

Ou seja, os estudos da garrafa de Leyden acabariam por proporcionar o que hoje

conhecemos como capacitores.

No século XVIII uma invenção de Le Roy e d’Arcy, denominada eletrômetro-

areômetro tornaria possível a medição da força elétrica entre corpos. Este aparelho

seria usado alguns anos depois por Daniel Bernoulli para estabelecer a relação entre a

intensidade da força elétrica e a distância da carga que a gera, conseguindo

estabelecer a relação entre a intensidade da força elétrica e o quadrado da distância

da carga.

Ainda no século XVII, Priestley em sua obra “The history and present state of

electricity with original experiments” construiu duas definições importantes para o

desenvolvimento do estudo da eletricidade: estabeleceu as primeiras medidas de

condutividades relativas em diversas substâncias com alto grau de aproximação e,

ainda mais importante, que o campo elétrico é nulo no interior de uma cavidade

metálica.

Desta época também é importante destacar Henry Cavendish, cientista

brilhante que realizou diversas descobertas no estudo da eletricidade, tais como o

conceito de constante dielétrica, a relação entre corrente elétrica e potencial elétrico

(Lei de Ohm), lei de corrente para circuitos paralelos, equação para o capacitor de

placas paralelas e outras várias. Porém tais conhecimentos nunca chegaram a ser

publicados por Cavendish devido à sua personalidade excêntrica. Tais trabalhos e

conhecimentos só viriam a ser publicados em 1879 por Maxwell, que ficou encantado

com o brilhantismo de Cavendish.

Também se destaca nesse período o francês Charles Augustin de Coulomb, que

foi de vital importância para o avanço do estudo da eletricidade por ser o pioneiro à

inserir na eletricidade algo que ainda não estava presente: a matemática. Até

Coulomb, grande parcela dos estudos e obras publicadas sobre os fenômenos elétricos

e magnéticos eram de características qualitativas, porém, após os trabalhos de

Coulomb, começou a se observar na eletricidade também um fenômeno quantitativo

significante.

Coulomb se utilizou de seus conhecimentos de engenharia para criar o

experimento da balança de torção, que o permitiu com grande precisão a medida da

força de interação entre duas cargas. Através disso, Coulomb conseguiu equacionar a

força elétrica, no que hoje conhecemos como a Lei de Coulomb.

Mais no final do século emergiu o conceito de potencial elétrico, definido

qualitativamente por Lagrange, mas só vindo a ser matematizado e quantificado por

Laplace (através do uso da equação de Laplace). Baseado nos estudos de Laplace,

Poisson generalizou a equação do potencial para regiões que possuem densidade de

carga e também definiu o conceito de fluxo elétrico. George Green e Gauss, em

estudos sobre fenômenos eletromagnéticos, utilizaram de forma independente o

termo potencial.

Poisson publica posteriormente, em 1824, o que se tornaria a base do

magnetismo em “Mémoire sur La théorie Du magnétisme”. Define o estado magnético

de um corpo com base em sua imantação, o potencial magnético em pontos externos

e a intensidade magnética (Termo utilizado por Poisson para descrever o que

conhecemos hoje como o campo magnético) consequente da imantação interna dos

corpos.

Luigi Galvani foi outro importante cientista no campo da teoria elétrica, sendo

defensor da teoria de eletricidade animal. Também importante foi o italiano

Alessandro Volta, que descobria a primeira máquina elétrica de influência em 1791.

Em 1792 estuda as experiências de Galvani e com isso rejeita a teoria de eletricidade

animal proposta por ele. Seus estudos de química e eletricidade o levaram a

desenvolver a primeira pilha elétrica em 1800. Seu trabalho de transformação da

energia química em energia elétrica foi revolucionário. Volta, em outros trabalhos,

explicita a lei das tensões, e define que em um circuito fechado puramente metálico

não pode gerar corrente. Descreve também as relações de eletropositividade e

tensões de contato de diversos metais.

Em 1807, Hans Christian Oersted realizou o experimento de colocar uma agulha

imantada próxima de um fio conduzindo eletricidade, e com isso pode perceber que a

direção apontada pela agulha da bússula tinha relação com a direção na qual a

corrente elétrica percorria o fio. Essas observações foram quantificadas por Biot e

Savart em 1820. Suas medições das oscilações da agulha em relação à distância ao fio

foram condensadas por Laplace no que ficou conhecida como Lei de Biot-Savart , uma

das leis fundamentais para o estudo da teoria eletromagnética. O padrão newtoniano

esperado foi rompido, pois agora apareciam casos em que ações elementares

ocorriam com base em relações transversais. Tais relações só seriam explicadas

posteriormente por Àmpere.

Em 1820, Ampère mostrou a relação que denominou de eletrodinâmica, em

que correntes elétricas se atraem ou repelem. É o primeiro a abraçar a ideia de que a

corrente era consequência de interações em nível molecular, e não de algo em escala

macroscópica. Em 1827, Ampère publicou se principal trabalho “Théorie

mathématique dês phérience”, em que analisa as interações eletromagnéticas com

base em preceitos newtonianos e de forma vetorial, distinguindo forças elétricas de

forças magnéticas. Definiu então quatro princípios sobre correntes:

“Primeiro princípio: as ações de uma corrente ficam invertidas quando

invertemos o sentido da corrente.

Segundo princípio (das correntes sinuosas): consiste na igualdade das ações

exercidas sobre um condutor móvel por dois condutores fixos situados a igual distância

do primeiro, dos quais um é retilíneo e o outro dobrado e contornado de alguma

maneira.

Terceiro princípio: a ação de um circuito fechado, ou de um conjunto de

circuitos fechados sobre um elemento infinitesimal de uma corrente elétrica é

perpendicular a este elemento, evidenciando o caráter essencialmente transversal das

únicas ações elementares observáveis.

Quarto princípio: com intensidades constantes, as interações de dois elementos

de corrente não mudam quando suas dimensões lineares e suas distâncias são

modificadas em uma mesma razão.”

Com isso, Ampere foi capaz de estabelecer e desenvolver o estudo e as relações

entre as forças geradas pelo magnetismo e a corrente elétrica que atravessa um

determinado circuito eletrodinâmico.

Georg Simon Ohm, em 1825, foi o responsável por definir a relação entre o

potencial elétrico e a corrente elétrica, conceito que já havia sido descoberto por

Cavendish, porém nunca publicado. Ohm também foi responsável por introduzir o

conceito de resistência elétrica e de resistividade elétrica.

Michael Faraday foi um dos mais importantes nomes na história da

eletricidade. Em 1821 mostrou que um polo magnético pode girar indefinidamente em

torno de uma corrente elétrica assim como o oposto, ou seja, uma porção de circuito

elétrico pode girar em torno de um polo. Posteriormente conduziu experimentos em

que a rotação de um aro metálico condutor, ligado à um galvanômetro, na presença de

polos magnéticos, gerava corrente indicada pelo galvanômetro. Com base nestes

experimentos, Faraday monta o primeiro gerador de corrente contínua, em que

energia mecânica é diretamente convertida em energia elétrica. Faraday afirma em

seus trabalhos: “Todos esses resultados mostram que o poder de induzir correntes

elétricas é exercido de maneiro circular por uma resultante magnética, ou eixo de

força, exatamente como as ações magnéticas circulares são produzidas por uma

corrente elétrica.”. A conclusão a qual chegou com seus experimentos é de que a

variação de corrente gerava uma força eletromotriz.

Finalmente conclui suas ideias de forma mais concisa: “Quando um fio se move

direta ou obliquamente através das linhas de força, ele soma a quantidade de forças

representada pelas linhas que cortou. A quantidade de eletricidade que passa na

corrente é proporcional ao número de linhas cortadas.”. Posteriormente veio a estudar

o fenômeno da eletrólise, definindo as nomenclaturas eletrólise, cátodo, anodo, íons,

assim como todo um novo vocabulário para melhor descrição dos fenômenos. Faraday

viria ainda a estudar as propriedades magnéticas dos corpos, diferindo-os em três

categorias: diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos.

Inspirado nos trabalhos de Faraday, James Clerck Maxwell publica sua primeira

obra sobre eletricidade (em 1855) intitulada “on Faraday’s Lines of Force”. Esse

primeiro trabalho não teve foco na abordagem qualitativa, mas apresentou uma

abordagem quantitativa inovadora. Compara as leis do campo eletrostático com o

movimento não rotacional de fluidos incompressíveis entre fontes e poços (cargas

positivas e negativas). Define relações equivalentes às de Biot-Savart, mas com a

inclusão de cálculo diferencial.

Em 1861 publica sua segunda obra, intitulada “On Physical Lines of Force”, cujo

objetivo é analisar os fenômenos magnéticos a partir de uma abordagem mecanicista.

A principal contribuição dessa obra foi a descoberta da corrente de deslocamento, a

partir do estudo dos efeitos de campo elétrico sobre dielétricos, completando então a

equação apresentada em seu primeiro trabalho para concluir a primeira equação de

Maxwell. Mostra ainda em trabalhos posteriores que a luz, quando absorvida ou

refletida por matéria, deve exercer pressão sobre esta.

Após Maxwell os estudos sobre o magnetismo se intensificou, neste período

um nome que se destaca é o de Heinrich Hertz. Em 1888, realizou um experimento em

uma sala de quinze metros de comprimento mostrando que ondas aéreas se refletem

sobre uma parede metálica e geram ondas estacionárias no espaço. A partir desse

experimento, Hertz foi capaz de deduzir a velocidade de propagação das ondas.

Nota-se na mesma época o desenvolvimento das fundações da física-química

moderna. Em 1887, Svante Arrhenius propõe a teoria da dissociação eletrolítica a

partir do trabalho de Kohlraush e de medidas de fusão, condutividade e graus de

dissociação de moléculas dissolvidas. Essas ideias foram mais trabalhadas e

desenvolvidas por Wilhelm Ostwold e Walther Nernst, propondo correções no

trabalho de Arrhenius com base nas interações de Coulomb entre íons.

Também na mesma década de 1880, J. J. Thomson desenvolve seu estudo

sobre a dinâmica do elétron. Erros de cálculo em seus estudos foram corrigidos por G.

F. Fitzgerald, e posteriormente revisitados por Heavise, que considerou velocidades

mais altas. Foi então mostrado que linhas de forças elétricas se mantém radiais, mas

tendem a se reunir no plano equatorial perpendicular à velocidade.

Em meados do século XIX ocorre uma mudança nas pesquisas e aplicações do

eletromagnetismo quando G. Johnston Stoney dá à unidade natural de carga elétrica o

nome de elétron. O começo do estudo do elétron foi importantíssimo para o progresso

do estudo do eletromagnetismo e foi um dos focos principais do estudo ao longo do

século XX.

Em 1905, Fleming se utilizou de um diodo termiônico e desenvolveu um

processo para converter correntes alternadas em correntes contínuas. Essa seria a

base para o desenvolvimento posterior de tubos a partir do que ficou chamado de

diodo de Fleming. Para tais tubos era necessária uma associação de elementos ativos

(resistores) e passivos (indutores e capacitores), formando redes. As leis propostas por

Kirchoff foram de grande utilidade nesse período e também a noção de impedância,

introduzida por Heaviside, fundamental para o estabelecimento da razão entre tensão

e corrente num circuito formado por um resistor e um indutor. Essas relações foram

ampliadas e generalizadas nos anos seguintes para circuitos com capacitores.

No século XX também ocorreu o estudo da radioeletricidade, sendo a maior

preocupação a construção de detectores sensíveis para melhoras a transmissão. Outra

preocupação importante era a remoção do ruído de fundo.

Os avanços na radioeletricidade e sua ampla utilização forçaram o estudo de

diferentes faixas de frequência para reduzir os efeitos de interferência. Com isso se

iniciou o estudo das micro-ondas, sendo a transmissão feita pela mesma utilizada

amplamente na Segunda Guerra Mundial.

Em 1932, houve o estudo sobre os dielétricos, principalmente com Langmuir,

que utilizava o termo plasma, muito aceito atualmente. Em seu trabalho, diferencia

dois tipos de regiões nas descargas. Os primeiros são os plasmas, com neutralidade

elétrica média, em que as cargas iônicas neutralizam as cargas eletrônicas. Os

segundos são os que formam bainhas em torno dos eletrodos. A teoria dos dielétricos

deve explicar a polarização consequente do efeito de um campo elétrico, a variação da

constante dielétrica com a frequência e a temperatura e a forma pela qual as ondas

eletromagnéticas se propagam.

Outra área que observou grandes avanços durante o século XX foi o estudo

sobre a ionização dos gases, que proporciona um ramo bastante amplos de aplicações

fundamentais, como por exemplo: retificadores, lâmpadas de iluminação e descarga

gasosa são exemplos de aplicações da teoria de gases ionizados que mantiveram a

investigação dos processos fundamentais, como ionização e recombinação. A

influência da ionosfera sobre a propagação de ondas contribui para a teoria dos gases

ionizados.

Os astrofísicos se interessavam pelo assunto, pois grande parte do universo se

constitui de plasma. Assim, geraram um novo ramo na teoria dos plasmas, chamado

magnetohidrodinâmica, que focava em explicar as propriedades do plasma contido no

universo, principalmente suas concentrações em grandes volumes. Esse estudo se

valida para líquidos ou gases ionizados, aplicando equações da mecânica dos fluidos ao

considerar meios contínuos.

Após o desenvolvimento do uso de micro-ondas no estudo do plasma,

intensificaram-se também os estudos sobre ondas submilimétricas. O interesse por

elas sempre esteve presente, pois os pesquisadores tinham tendência de sempre

elevar a frequência das ondas. Porém, elas não se propagavam bem na atmosfera e a

fabricação de tubos osciladores era muito difícil, havendo então a limitação do estudo

de ondas com comprimentos menores que 8mm. Essa barreira só foi transposta em

1961, quando G. Convert e Yeon-Ta construíram um carcinotron que produzia uma

onda de 0,7mm, possibilitando então o estudo da banda submilimétrica.

O estudo de máquinas elétricas foi desenvolvido ao longo de muitos anos pela

contribuição de diversos pesquisadores. As pesquisas de Pacinotti e de Siemens em

possibilitaram a invenção do dínamo por Gramme. As primeiras máquinas síncronas

foram construídas por Elihu Thomson, Siemens e Hopkinson, Wstinghouse e Tesla. Já

Marcel Deprez, Ferraris e Tesla são os inventores dos motores assíncronos. Os

alternadores tiveram suas bases lançadas após a construção de alternados T.S.F. por

Joubert, Bem Eschenbourg, André Blondel e Maurie Leblanc. Este é essencial para a

produção de energia elétrica.

Com um sistema de uma turbina e um alternador, é montada uma central

hidráulica, em que a energia potencial da água é convertida em energia cinética, que é

então convertida em elétrica. As centrais térmicas possuem um sistema um pouco

maior na qual temos diversos processos de conversão de energia, dentre os quais se

podem destacar a energia química, calor, energia mecânica e energia elétrica, com

base no carvão, gás ou derivados do petróleo. As centrais atômicas tem o início da

cadeia modificado, em que temos, em ordem, energia nuclear, calor, energia mecânica

e energia elétrica, com base nas reações de fissão do urânio ou do plutônio.

Já os desenvolvimentos da eletrônica eram mais conhecidos pelo público, como

radiodifusão, telecomunicações por fios, por cabos coaxiais, por rádio e por micro-

ondas, televisão, radar, eletrônica industrial, telecomando e telemedia. A descoberta e

aprimoramento de chaves modernas como tiristores e transistores mostra que ainda

há muito a se descobrir e aprimorar no ramo da eletricidade, e que a história da

eletricidade e dos fenômenos elétricos tende a enriquecer mais a cada ano.