Física - Eletromagnetismo

Eletromagnetismo

 

 

Inicialmente considerados fenômenos distintos, a eletricidade e o magnetismo são conhecidos desde a antiguidade, sendo o magnetismo derivado do nome da cidade de Magnes na Grécia, onde segundo relatos de fontes daquela época,  era conhecido dos habitantes do lugar o fato de certas rochas escuras da região atrairem objetos metálicos feitos de ferro tais como machados, espadas, pregos de sandálias e outros objetos semelhantes. Estas rochas receberam o nome de magnetos em função da região. A eletricidade por atrito e contato já era conhecida pelos habitantes da Grécia no mesmo período, sendo que uma substância resinosa de nome eléktron (em português âmbar) daria nome a esta classe de fenômenos: a eletricidade. Nesta época já seria conhecido o que chamamos de série tribo-elétrica, onde uma substância atritada com outra resulta no transporte de cargas num sentido determinado.

 

A descoberta do elétron - consequências 

 

A partir de JJ Thomson, (1897) o átomo de Dalton recebeu um acréscimo: os elétrons com carga negativa. Distribuídos como “ameixas”, os elétrons estariam num pudim que seria o próprio átomo. Finalmente, este átomo teria uma carga positiva total igual e oposta ao total de elétrons, sendo uniformemente distribuída sobre a esfera, de forma a manter o novo átomo neutro: o modelo do ”pudim de passas”.

A visão do Átomo através da Química

 

Na Química, a descoberta de novos elementos químicos traz novos horizontes para a compreensão da matéria. Isto ocorre a partir do fim século XVIII, quando Lavoisier sistematiza a Química moderna, e principalmente no século XIX quando várias descobertas mostram novas maneiras de analisar e separar substâncias. Assim,  a descoberta da eletrólise, a partir da pilha de Volta e  o novo método de análise espectral de Bunsen e Kirchhoff, que coloca os conhecimentos sobre a luz a serviço da química, forçam os químicos a trilhar um caminho no sentido de unificar a compreensão dos fenômenos químicos e físico-químicos. 
Na Química Orgânica, os novos produtos passam para a fase de produção industrial e vemos primeiramente novos corantes, e depois vários produtos químicos derivados da hulha (carvão mineral) e de outros, já de conhecimento clássico: alcoóis, óleos, resinas, solventes etc. A indústria química foi, por motivos econômicos, uma das que primeiro se beneficiou do modelo atômico através da divulgação por Stanislao Canizzaro da hipótese de Avogadro, estabelecendo o Mol. Este conceito ajudou a unificar a confusão das fórmulas da Química Orgânica, provendo segurança (cálculos de rendimento)  para as indústrias do setor.

Eletromagnetismo

No século XIX, sob o impulso de Humphry Davy, as experiências de Michael Faraday, nos laboratórios da Royal Society, em Londres, determinaram os caminhos que o conhecimento  sobre a união entre a Eletricidade e o Magnetismo teria a partir de então(HE1,HE2,HE3) ou alternativamente - precisa antes se inscrever-(HD1, HD2,HD3). A partir da experiência de Oersted, as possibilidades estavam abertas a todos os que tivessem interessados em verificar o que poderia ser criado e aplicado com estes novos conhecimentos. Os caminhos estavam abertos a todos, desde ilusionistas, a inventores, especuladores e homens de ciência. Em especial dois personagens geniais construiram boa parte do nosso presente numa disputa que nos deu a forma atual do uso da eletricidade:Nicola Tesla e Thomas Alva Edison num episódio conhecido como Guerra das Correntes. A Termodinâmica(ver tópico Nascimento da Termodinâmica), ciência clássica,  nasceu no caminho da 1ª Revolução Industrial como contribuição de vários cientistas, que classificariamos hoje como engenheiros-cientistas. Citariamos em especial, Lord Kelvin, Sadi Carnot, James P. Joule e Josiah Willard Gibbs, entre outras contribuições. No decorrer de sua história, a Termodinâmica passou a investigar também o oposto do calor, a falta dele, e acabou por desembocar num ramo de conhecimento que classificamos como moderno, onde vários fenômenos foram classificados dentro de nomes como Supercondutividade e Condensados de Bose-Einstein. É interessante notar que um trabalho de generalização do conceito de número complexo levado a cabo em 1853, pelo matemático inglês William Rowan Hamilton, com o nome de quatérnion, permitiu que fossem tratados de forma mais adequada a nova teoria do Eletromagnetismo de Maxwell e mais tarde a Relatividade Restrita de Albert  Einstein.


Eletrônica

A eletrônica numa definição atual engloba todos os dispositivos e circuitos que visam 
controlar elétrons em deslocamento e suas propriedades, visando aplicações específicas de forma geral, englobando todo o espectro eletromagnético. Num circuito eletrônico podemos classificar os componentes em dois tipos chamados de ativo e passivo.  De forma geral dispositivos ativos seriam aqueles em que a passagem da corrente elétrica pode ser controlada de forma dinâmica e são classificados em dois grupos: válvulas termoiônicas e semicondutores. Os demais grupos englobam os dispositivos passivos. 
As primeiras válvulas eletrônicas utilizadas comercialmente surgiram no começo do século XX, e são descendentes das ampolas de vidro do início do século XIX. Nestas ampolas construídas com dois eletrodos dispostos em oposição era feito um vácuo muito grande visando a estudar os fenômenos luminosos que ocorriam dentro delas quando eram ligadas a fontes de tensão muito altas (cerca de 1000 V ou mais). O estudos destes fenômenos levou a várias vertentes dentro da física e da nascente eletrotécnica. A espectroscopia que estava se desenvolvendo velozmente junto com a Astronomia, levou a introduzir pequenas quantidades de materiais dentro destes tubos e conforme o material presente, eram obtidos efeitos luminosos de cores variadas. O vapor de água produzia uma luz rósea, uma gota de mercúrio, ionizada produzia uma luz ultravioleta, os gases nobres, recém descobertos produziam muitas outras cores. Utilizando uma fonte de tensão muito alta, a bobina Tesla, foi possível produzir tubos muito finos e longos que emitiam uma luminosidade intensa e colorida, no final do século XIX, e o comércio passou a conhecer os anúncios luminosos multicoloridos, chamados de "tubos neon". As pesquisas com a luminescência em gases levou ao estudo e invenção de vários tipos de lâmpadas que produziam luz a partir de gases incandescentes (plasma) resultando em várias patentes desde o século XIX. O advento da lâmpada fluorescente comercial poderia ter ocorrido no início do século XX, mas devido a interesses comerciais ela apareceu nos anos 30 com o esforço de guerra americano. O mesmo tubo de vidro com vácuo originou o tubo de imagem chamado iconoscópio, que resultou no tubo de imagem de TV. Em paralelo, a procura de um dispositivo que pudesse produzir luz a partir da eletricidade, levou vários inventores a tentar colocar um material que fosse condutor dentro de um tubo com vácuo. O mais bem sucedido neste caminho foi Thomas Édison, que em 1878 inventou a lâmpada elétrica de filamento de carbono, citada universalmente.  Sem querer, ele descobriu o princípio termoiônico, base da válvula eletrônica, mas naquele momento esta descoberta foi considerada um defeito ou falha da lâmpada recém inventada. Ocorre que o filamento utilizado, um fio de bambu carbonizado, sendo aquecido produzia luz ao mesmo tempo que se vaporizava com o calor, criando um vapor de carbono que preenchia o tubo como um gás, mas que se depositava nas paredes da lâmpada, quando esta era desligada e esfriava. Isto ia escurecendo o tubo e  inutilizava a lâmpada que se tornava mais escura conforme ia sendo utilizada. A substituição do filamento de bambu por materiais metálicos de alto ponto de fusão, resolveu posteriormente o problema do escurecimento da lâmpada.  A invenção da válvula termoiônica tem seus primórdios na história das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell e posteriormente descobertas por Oliver Lodge e Heinrich Hertz. Curiosamente um dos circuitos utilizado por Lodge na descoberta tinha um cristal, ou seja um semicondutor, como detector. A invenção do telégrafo por Samuel Morse em 1837, concretizada na primeira linha telegráfica em 1843, abriu caminho para o telegrafo sem fios possibilitado por Lodge e Hertz. Mas assim como no caso da lâmpada incandescente, a criação do transmissor sem fios ocorreu em vários pontos do globo terrestre. No Brasil tivemos, neste período em 1893, a transmissão feita pelo padre Landell de Moura, na capital do Estado de São Paulo. O mais bem sucedido nesta empreitada foi Guglielmo Marconi, que conseguiu concretizar o primeiro sistema de transmissão sem fios a partir da Inglaterra. O fato é que até Nikola Tesla já havia patenteado o sistema muito antes de Marconi. O poder econômico envolvido nestes acontecimentos direcionou todos fatos daquele período. A invenção do rádio abriu caminho a que receptores simples feitos com com cristal galena (sulfeto de chumbo) se tornassem populares e o surgimento da válvula termoiônica (uma lâmpada de Édison com dois ou mais eletrodos independentes) criada por Lee de Forest possibilitassem o surgimento de aparelhos transmissores e receptores mais eficazes e eficientes, no início do século XX. As mudanças trazidas pela Primeira Guerra Mundial, que se aceleraram na Segunda Guerra Mundial trouxeram  materiais e tecnologias que se firmaram a partir dos anos 20. A invenção do radar e o projeto Manhattan trouxe necessidades (radar) e novos materiais que postos no ambiente correto permitiram a obtenção de dispositivos sólidos que podiam substituir as válvulas em vários aparelhos, em especial no radar. Estes novos dispositivos foram criados em outros locais do globo (36min) , mas foi nos Estados Unidos, Califórnia, que tiveram um impulso maior. Basicamente o primeiro semicondutor, chamado de transistor era um "bigode de gato"  duplo, feito sobre um cristal de germânio muito puro, não muito diferente do dispositivo de Lodge e Bose. Nos países do pós guerra de 1945, as novidades e necessidades resultantes da destruição da guerra alavancaram o espírito empresarial, permitindo que surgissem empreendimentos de risco utilizando os conhecimentos resultantes dos esforços de guerra. A indústria de semicondutores no Japão é um exemplo perfeito deste espírito empresarial e a procura sem precedentes que fizeram seus técnicos e cientistas para a transformar esta nova tecnologia numa indústria de peso é digna de nota. Atualmente a integração em larga escala é uma realidade e qualquer smartphone da atualidade é imensamente mais poderoso que qualquer computador da Segunda Grande Guerra.


Glossário - Termos e nomes encontrados no video "A indústria de semicondutores no Japão"

surgimento dos chips  
Jack Kilby, Robert Noyce, Gordon Teal, Morris Tanenbaum, Calvin S. Fuller,
Carver Mead, história do transistorhistória do transistor (ampliada), dispositivo semicondutor.

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