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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).

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. Fonte: Disponível em http://www.uni-magdeburg.de/org/ovgg/deutsch/english/welcome.html.

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.

Figura 2 Ilustração da “bola de enxofre” de Otto Von Guericke. Fonte: GUERICKE, 1672, p.241.

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.

Figura 3 Trecho de Philosophical Transactions of the Royal Society # 37, 1731 – 1732. Fonte: GRAY, 1732, p. 286.

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 de eletricidade 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.

Figura 4 Ilustração do experimento feito por Joseph Gray com um menino suspenso em fios isolantes. Fonte: WATSON, 1748, p.154.

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 eletricidade supostamente 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.

que enchia a resina -“há dois tipos distintos de eletricidade, muito diferentes um do outro;

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 um dos quais eu chamo eletricidade vítrea, e o outro eletricidade resinosa.” (DU FAY, 1734).

Figura 5 Trecho de "A Discourse concerning Electricity", de Charles François de Cisternay Du Fay. Fonte: DU FAY, 1734, p. 258.

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 X 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.

6 FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS ELETROSTÁTICAS

6.1. 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).

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. Fonte: VIGOUROX, 1882, P. 21.

Jesse Ramsden, cientista inglês, substituiu então o globo ou cilindro de vidro por um disco de vidro que girava entre almofadas de couro por uma manivela, e as cargas eram coletadas por pentes de pontas em ambos os lados dos discos e armazenadas em cilindros ou canos de metal isolados, geralmente feitos de latão, um dos poucos metais disponíveis naquela época (VIGOUROX, 1882). Em algumas versões, o disco, após tocar as almofadas, era encoberto por uma capa de tecido isolante para minimizar o acúmulo de umidade e descargas parciais para as almofadas.

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. Fonte: CAVALHEIRO, 1942, p.227.

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.

Figura 8 Garrafa de Leyden sendo carregada em uma máquina eletrostática de Ramsden. Fonte: LAMARE, 1945, p.225.

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.

6.2 MÁQUINAS DE INDUÇÃO ELETROSTÁTICA

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