Episódio 03 — Revelações e Revoluções:
A eletricidade não é apenas algo que produz calor e luz, ela conecta o mundo através de redes e radiodifusão. Após séculos de experiências com a eletricidade, o último episódio conta a história de como uma nova era de conhecimento surgiu — como descobrimos os campos elétricos e as ondas eletromagnéticas. Hoje, não conseguimos imaginar o mundo sem eletricidade — ela define nossa era. À medida que nosso conhecimento sobre ela aumentou, igualmente cresceu nossa dependência dela, e hoje estamos prestes a fazer um novo avanço, pois se pudermos entender o segredo da supercondutividade, poderemos, mais uma vez, transformar o mundo.
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Episódio 2 - BBC - A História da Eletricidade – A Era da Invenção https://www.artusi.net.br/2019/11/bbc-historia-da-eletricidade-era-da.html
Episódio 3 - BBC - A História da Eletricidade - Revelações e Revoluções https://www.artusi.net.br/2019/11/bbc-historia-da-eletricidade-revelacoes.html
Transcrição do vídeo
Em 14 de agosto de 1894, uma multidão animada se reunia em frente ao Museu de História Natural de Oxford. Este enorme edifício gótico sediava o encontro anual da Associação Britânica para o Avanço da Ciência. Mais de 2 mil ingressos foram vendidos antecipadamente e o museu já estava lotado, à espera da próxima palestra a ser ministrada pelo prof. Oliver Lodge. Seu nome pode não ser familiar hoje, mas suas descobertas deveriam tê-lo feito tão famoso como os demais grandes pioneiros elétricos da História.
Gente como Benjamin Franklin, Alessandro Volta, ou mesmo o grande Michael Faraday.
Involuntariamente, ele iniciaria uma série de eventos que iriam revolucionar o mundo vitoriano do bronze e fio telegráfico. Esta palestra marcaria o início do mundo moderno elétrico, um mundo dominado pelo silício e comunicação em massa sem fio.
Neste episódio, descobriremos como a eletricidade conecta o mundo por meio da radiodifusão e redes de computadores, e como finalmente aprendemos a desvendar e explorar a eletricidade em nível atômico. Após séculos das experiências humanas com a eletricidade, uma nova era de conhecimento estava iniciando.
Estas lâmpadas não estão ligadas a nenhuma fonte de energia, mas mesmo assim acendem. É o efeito invisível da eletricidade, um efeito que não se limita aos fios através dos quais ela corre. Em meados do século XIX, uma grande teoria foi proposta para explicar como isso se dá. A teoria diz que em torno de qualquer carga elétrica, e há muita eletricidade correndo acima da minha cabeça, há um campo de força.
Estas lâmpadas fluorescentes estão acesas porque estão sob a influência do campo de forçados cabos de alta tensão ali em cima. A teoria de que um fluxo de eletricidade poderia, de alguma forma, criar um campo de força invisível, foi originalmente proposta por Michael Faraday, mas seria necessário um jovem escocês genial chamado James Clark Maxwell, para provar que Faraday estava certo, e não através da experimentação, mas da matemática.
Era totalmente diferente do jeito típico do século XIX de entender como o mundo funciona, que era essencialmente vê-lo como um mecanismo físico. Antes de Maxwell, os cientistas construíam máquinas estranhas ou concebiam experiências maravilhosas para criar e medir a eletricidade. Mas Maxwell era diferente. Ele estava interessado nos números, e sua nova teoria não só revelou o campo de força invisível da eletricidade, mas como ele poderia ser manipulado, o que mostraria ser uma das mais importantes descobertas científicas de todos os tempos.
Maxwell foi um matemático e um dos melhores. Ele via eletricidade e magnetismo de uma nova forma. Ele expressou tudo isso em equações matemáticas concisas. E o mais importante é que nas equações de Maxwell há o entendimento da eletricidade e do magnetismo como algo interligado e que podia ocorrer em ondas.
Os cálculos de Maxwell mostraram como esses campos poderiam ser perturbados assim como tocar a superfície da água com o dedo. Mudar a direção da corrente elétrica criaria uma ondulação ou onda através destes campos elétrico e magnético. E mudar constantemente a direção do fluxo da corrente, para a frente e para trás, como uma corrente alternada, produziria uma série de ondas, ondas que transportavam energia. A matemática de Maxwell lhe dizia que alterar as correntes elétricas emitiria grandes ondas de energia às suas vizinhanças. Ondas que se propagariam ao infinito a menos que algo as absorvesse.
A matemática de Maxwell era tão avançada e complicada que apenas poucos a compreenderam na época, e embora seu trabalho ainda fosse apenas uma teoria, inspirou um jovem físico alemão chamado Heinrich Hertz. Hertz decidiu dedicar-se a projetar uma experiência para provar que as ondas de Maxwell realmente existiam. E eis ela aqui.
Este é o aparelho original de Hertz e sua beleza está em sua grande simplicidade. O calor gera uma corrente alternada que corre por estas hastes de metal, com uma faísca que salta pelo espaço entre estas duas esferas. Se Maxwell estivesse certo, esta corrente alternada deveria gerar uma onda eletromagnética invisível que se espalharia no ambiente. Se colocarmos um fio no caminho dessa onda, então nele, deve haver um campo eletromagnético oscilante, que deve induzir uma corrente elétrica no fio.
Assim, Hertz montou este anel de fio, o seu receptor, que colocaria em posições diferentes pela sala para verificar se poderia detectar a presença da onda. E ele fez isso deixando um espaço bem pequeno no fio, através do qual uma faísca saltaria se uma corrente percorresse o anel. Devido à corrente ser muito fraca, essa faísca é muito tênue. Hertz passou praticamente a maior parte de 1887 numa sala escura olhando fixamente por uma lente para ver se podia detectar a presença dessa faísca tênue.
Mas Hertz não era o único na tentativa de criar as ondas de Maxwell. Na Inglaterra, um jovem professor de física chamado Oliver Lodge era fascinado pelo tema há anos mas não tivera tempo para projetar experiências para tentar descobri-las. Então, um dia, no início de 1888, ao montar uma experiência sobre proteção contra raios, ele notou algo incomum.
Lodge notou que quando ele montava seu equipamento e enviava uma corrente alternada em torno dos fios, ele podia ver manchas brilhantes entre os fios, e com um pouco de artimanha, ele viu que as seções brilhantes formavam um padrão. O brilho azul e faíscas elétricas ocorriam em seções distintas uniformemente espaçadas ao longo dos fios. Ele percebeu que eram os picos e depressões de uma onda, uma onda eletromagnética invisível. Lodge provara que Maxwell estava certo. Finalmente, por acidente, Lodge criara as ondas eletromagnéticas de Maxwell ao redor dos fios. A grande questão fora respondida.
Cheio de emoção por sua descoberta, Lodge preparou-se para anunciá-la ao mundo, no encontro científico anual de verão organizado pela Associação Britânica. Antes disso, porém, ele decidiu sair de férias. O momento não podia ter sido pior, porque na Alemanha, ao mesmo tempo, Heinrich Hertz também testava as teorias de Maxwell.
Hertz acabou encontrando o que procurava... uma faísca minúscula. Enquanto carregava seu receptor por diferentes posições na sala, ele foi capaz de mapear a forma das ondas produzidas pelo seu aparelho. Ele checou cada um dos cálculos de Maxwell com cuidado e os testou experimentalmente. Foi uma façanha da ciência experimental.
Na Grã-Bretanha, enquanto a multidão se reunia para o encontro da Associação Britânica, Oliver Lodge voltava de férias relaxado e cheio de expectativa. Este, Lodge pensou, seria o seu momento de triunfo, quando poderia anunciar a sua descoberta das ondas de Maxwell.
Seu grande amigo, o matemático Fitzgerald, fez o discurso de abertura do encontro. Mas nele, ele anunciou que Heinrik Hertz acabara de publicar resultados surpreendentes. Ele tinha detectado as ondas de Maxwell viajando pelo espaço. "Arrebatamos o raio do próprio Júpiter e escravizamos todos os éteres predominantes", ele anunciou.
Posso imaginar como Lodge deve ter se sentido tendo a sua ideia roubada. O professor Oliver Lodge perdera seu momento de triunfo, derrotado por Heinrich Hertz. A demonstração espetacular de Hertz das ondas eletromagnéticas, as chamadas ondas de rádio, embora ele não soubesse à época, que levaria a uma revolução nas comunicações no século seguinte.
A teoria de Maxwell mostrara como cargas elétricas poderiam criar um campo de força em torno delas. E que as ondas se espalhariam por esses campos como ondas num lago. E Hertz construiu um dispositivo que poderia realmente criar e detectar as ondas ao passarem pelo ar. Mas, quase imediatamente, haveria uma outra revelação no conhecimento da eletricidade. Uma revelação que mais uma vez envolveria o Prof. Oliver Lodge. E, mais uma vez, sua ideia seria roubada.
A história começa em Oxford, no verão de 1894. Hertz morrera repentinamente no início daquele ano, e assim Lodge preparou uma palestra em memória com uma demonstração que levaria a ideia das ondas a um público mais amplo. Lodge trabalhara em sua palestra.
Ele pesquisou as melhores formas de detectar as ondas, e pegou emprestado um novo aparelho de uns amigos. Ele fizera alguns avanços significativos na tecnologia projetada para detectar as ondas. Este aparelho gera uma corrente alternada e uma faísca através deste espaço. A corrente alternada envia uma onda eletromagnética, como Maxwell previra, que é captada pelo receptor. Ele dispara uma corrente elétrica muito fraca por estas duas antenas. Isso foi o que Hertz fizera.
A melhoria feita por Lodge foi acrescentar este tubo com limalha de ferro. A fraca corrente elétrica atravessa a limalha, forçando-a a se aglutinar. Quando isso ocorre, um segundo circuito elétrico é fechado e dispara a campainha. Se eu apertar o botão nesta extremidade, ele dispara a campainha no receptor. Isso é feito sem nenhuma ligação entre ambos.
Parece mágica.
Se imaginarmos um recinto lotado, muitas pessoas na plateia, que veem de repente... como que por mágica... uma campainha tocando. É incrível. Pode não ter sido a demonstração mais dramática que a plateia já viu, mas certamente causou sensação entre ela. O aparelho de Lodge, disposto desta forma, não parecia mais uma experiência científica. Parecia muito com as máquinas de telégrafo que revolucionaram a comunicação, mas sem os longos cabos que se estendiam entre as estações emissora e receptora. Para os membros mais esclarecidos da plateia, isto era bem mais do que mostrar que o mestre Maxwell estava certo. Esta era uma forma nova e revolucionária de comunicação.
Lodge publicou suas anotações sobre como as ondas eletromagnéticas poderiam ser enviadas e recebidas usando seus aprimoramentos. Mundo afora, inventores, entusiastas amadores e cientistas liam os relatos de Lodge com avidez e começaram experimentações com as ondas hertzianas. Dois personagens bem diferentes seriam inspirados por elas.
Ambos trariam melhorias para o telégrafo sem fio, e ambos seriam lembrados por sua contribuição para a ciência, bem mais do que Oliver Lodge.
O primeiro foi Guglielmo Marconi. Marconi era muito inteligente, astuto e um homem encantador. Ele tinha o encanto ítalo-irlandês. Ele utilizava isso com todo mundo, de mulheres a cientistas de renome mundial. Marconi não era cientista, mas leu tudo o que podia sobre o trabalho de outras pessoas, a fim de criar seu próprio sistema de telégrafo sem fio. É possível que, por ter sido criado em Bolonha, perto da costa italiana, tenha percebido logo o potencial da comunicação sem fio em relação ao uso marítimo. Então, com apenas 22 anos, foi para Londres com sua mãe irlandesa para comercializá-lo.
A outra pessoa inspirada pela palestra de Lodge era professor do Presidency College em Calcutá, chamado Jagadish Chandra Bose. Apesar das graduações em Londres e Cambridge, a indicação de um indiano como cientista em Calcutá foi uma luta contra o preconceito racial. Diziam-se que os indianos não tinham a índole necessária para a ciência exata. Bose estava disposto a provar que isso estava errado, e nestes arquivos, podemos ver o quão rápido ele trabalhou.
Este é a ata do 66º encontro da Associação Britânica em Liverpool, em setembro de 1896. E eis Bose, o primeiro indiano a se apresentar no encontro da associação, falando sobre sua obra e demonstrando o seu aparelho. Ele construiu e aperfeiçoou o detector descrito por Lodge, pois no clima quente e úmido indiano, ele descobriu que a limalha metálica no tubo que Lodge usava para detectar as ondas enferrujava-se e travava. Por isso, Bose teve que criar um detector mais prático usando um fio espiral como alternativa. Seu trabalho foi descrito como uma sensação. O detector era extremamente confiável e podia funcionar a bordo de navios, por isso tinha grande potencial para a frota naval britânica.
A Grã-Bretanha era o centro de uma grande rede de telecomunicações que se estendia praticamente por todo o mundo, usada para apoiar uma rede igualmente grande de navios mercantes e de guerra, utilizados para sustentar o império britânico. Mas Bose, um legítimo cientista, não estava interessado no potencial comercial dos sinais sem fio ao contrário de Marconi. Este era um novo ramo de ponta, mas Marconi não era um cientista formado, ele abordava as coisas de forma diferente, talvez por isso ele tenha progredido tão rápido. E ele era muito bom em desenvolver laços com as pessoas necessárias para conseguir fazer seu trabalho. Marconi usou seus contatos para ir direto ao único lugar que tinha os recursos para ajudá-lo.
Os Correios britânicos eram uma instituição muito poderosa. Quando Marconi chegou a Londres em 1896, estes edifícios eram recém-construídos e já se prestavam aos negócios dos serviços postais e telegráficos do império. Marconi trouxe consigo seu sistema de telégrafo da Itália, alegando que podia enviar sinais sem fio por distâncias inéditas. E o engenheiro-chefe dos Correios, William Preece, viu imediatamente o potencial da tecnologia. Preece ofereceu a Marconi os grandes recursos financeiros e de engenharia dos Correios, e eles começaram a trabalhar lá em cima, no telhado. A antiga sede dos Correios ficava bem ali. E entre este e aquele telhado, Marconi e os engenheiros dos Correios testavam o envio e recepção de ondas eletromagnéticas. Os engenheiros o ajudaram a melhorar o seu aparelho, depois, Preece e Marconi demonstraram-no para pessoas influentes no governo e na Marinha.
Preece não percebeu que enquanto anunciava com orgulho a parceria exitosa de Marconi com os Correios, Marconi fazia planos nos bastidores. Ele solicitara a patente britânica sobre todo o ramo da telegrafia sem fio e planejava criar sua própria empresa. Quando a patente foi concedida, o mundo desabou na comunidade científica. A patente, por si só, já era revolucionária. As patentes só podiam se dar sobre coisas que não fossem de domínio público, mas Marconi, sagazmente, escondera o seu equipamento em uma caixa secreta. E aqui está ele. Quando sua patente foi finalmente concedida, Marconi, cerimoniosamente, abriu a caixa. Todos estavam ansiosos para ver que invenções ela continha. Baterias formando um circuito, limalha de ferro no tubo para completar o circuito e tocar a campainha na parte superior. Nada que não tenha sido visto, mas mesmo assim Marconi o havia patenteado. A razão de Marconi ser famoso não é por causa dessa invenção. Ele não inventou o rádio, mas o melhorou e o transformou num sistema. Lodge não fez isso. E é por isso que nos lembramos de Marconi, e não nos lembramos de Lodge.
O mundo científico estava em pé de guerra. Ali estava aquele jovem que sabia pouco sobre a ciência por trás do seu equipamento prestes a fazer sua fortuna, com o trabalho de outrem. Mesmo o seu grande incentivador Preece, ficou decepcionado e magoado quando soube que Marconi estava prestes a seguir sozinho e montar sua própria empresa. Lodge e vários cientistas iniciaram uma onda de patenteamento de cada minúsculo detalhe e melhorias que faziam em seus equipamentos. Esse novo ambiente chocou Bose ao retornar à Grã-Bretanha. Bose escreveu para a Índia, desgostoso com o que encontrara na Inglaterra.
"Dinheiro, dinheiro, dinheiro o tempo todo, "que cobiça devastadora! "Eu gostaria que pudessem ver "a loucura por dinheiro do povo daqui."
Sua desilusão com as mudanças que viu no país que ele reverenciava pela integridade científica e excelência era evidente. Mas foram seus amigos que o convenceram a registrar sua primeira e única patente, sobre sua descoberta de um novo tipo de detector de ondas.
Esta descoberta levaria a uma revolução ainda maior no mundo. Ele descobrira o poder dos cristais. Isto substituiu técnicas antigas, como as sujas e problemáticas limalhas de ferro.
Era uma nova forma de detectar ondas de rádio, que estaria no cerne da indústria do rádio.
A descoberta de Bose foi simples, mas iria realmente moldar o mundo moderno. Quando alguns cristais são tocados com metal para testar sua condutividade elétrica, podem mostrar comportamento bastante estranho e variado.
Este cristal, por exemplo. Se eu puder tocá-lo no ponto certo com a ponta deste fio de metal, e depois ligá-lo a uma pilha, ele libera uma corrente significativa. Mas se inverter minhas conexões com a pilha e experimentar passar a corrente no sentido oposto... haverá redução. Não é um condutor total de eletricidade, é um semicondutor, e seu primeiro uso foi na detecção de ondas eletromagnéticas. Quando Bose utilizou um cristal como este em seus circuitos em vez do tubo de limalha, ele descobriu que era um detector bem mais eficiente e eficaz de ondas eletromagnéticas. Foi essa estranha propriedade da ligação entre o fio, conhecido como "bigode de gato", e o cristal, que permitia à corrente passar mais facilmente numa direção do que na outra que implicou seu uso na extração dos sinais de ondas eletromagnéticas.
Na época, ninguém sabia por que certos cristais agiam dessa forma. Mas para cientistas e engenheiros, esse comportamento estranho teve um efeito prático profundo e quase milagroso. Com cristais como detectores, agora era possível transmitir e detectar o som da voz humana ou música. Em sua palestra em Oxford, em 1894, Oliver Lodge abriu a caixa de Pandora. Como acadêmico, ele não conseguiu prever que as descobertas científicas das quais participou tinham tamanho potencial comercial.
A única patente que ele conseguiu assegurar, o meio de ajustar um receptor para um sinal de rádio específico, foi adquirido dele pela poderosa empresa de Marconi. Talvez a maior revolta de Lodge tenha sido em 1909, quando Marconi recebeu o Nobel de Física pela comunicação sem fio. É difícil imaginar maior afronta ao físico que, por tão pouco, perdeu para Hertz a descoberta das ondas de rádio, e que depois mostrou ao mundo como elas poderiam ser enviadas e recebidas. Mas apesar desta afronta, Lodge permaneceu magnânimo, usando a nova tecnologia de transmissão que resultou do seu trabalho para dar crédito a outros, como mostra este raro filme. Hertz fez um grande avanço. Ele descobriu como produzir e detectar ondas no espaço, pondo o éter em uso prático. Aproveitando-o para a transmissão de inteligência de forma a ser aprimorada por muitos outros.
Hoje, mal podemos imaginar o mundo sem a radiodifusão, e imaginar uma época em que as ondas de rádio sequer tinham sido sonhadas. Os engenheiros continuaram a refinar e aperfeiçoar a nossa habilidade de transmitir e receber ondas eletromagnéticas, mas sua descoberta inicial acabou sendo o triunfo de pura ciência, de Maxwell, por meio de Hertz, até Lodge.
Mas mesmo assim a natureza da própria eletricidade permanecia sem explicação. O que criava as cargas elétricas e as correntes, afinal? Embora os cientistas estivessem aprendendo a explorar a eletricidade, eles ainda não sabiam o que ela realmente era. Mas ssa pergunta foi sendo respondida com experiências que analisavam como a eletricidade fluía através de materiais diferentes.
Na década de 1850, um dos grandes experimentadores da Alemanha e talentoso soprador de vidro, Heinrich Geissler, criou estas belas peças. Geissler retirou a maior parte do ar desses tubos de vidro. Depois inseriu pequenas quantias de outros gases dentro deles.
Depois, ele passou uma corrente elétrica por eles. Eles brilharam com cores deslumbrantes, e a corrente que fluía pelo gás parecia tangível. Embora tenham sido projetados apenas para o entretenimento, durante os 50 anos seguintes, os cientistas viram os tubos Giessler como uma chance de estudar como a eletricidade fluía.
Foram feitos esforços para extrair cada vez mais ar dos tubos. Poderia a corrente elétrica atravessar o nada? Atravessar o vácuo? Este é um raro filme do cientista britânico que criou um vácuo bom o bastante para responder a essa pergunta. Seu nome era William Crookes.
Crookes criou tubos como este. Ele retirava o máximo de ar que podia deixando-o mais próximo possível do vácuo. Então, ao passar uma corrente elétrica pelo tubo... ele notou um brilho luminoso na outra extremidade. Um feixe parecia estar incidindo pelo tubo e atingindo o vidro na outra extremidade. Finalmente, parecia que podíamos ver a eletricidade. O feixe ficou conhecido como raio catódico, e este tubo foi o precursor do tubo de raios catódicos usado em aparelhos de televisão por décadas.
O físico JJ Thompson descobriu que esses feixes eram compostos de minúsculas partículas de carga negativa e, por transportarem eletricidade, elas ficaram conhecidas como elétrons. Devido aos elétrons se moverem em apenas uma direção, da placa de metal aquecida para a placa de carga positiva na outra ponta, eles se comportavam da mesma forma que os cristais semicondutores de Bose. Mas enquanto os cristais de Bose eram naturalmente temperamentais, era preciso encontrar o ponto certo para que funcionassem, os tubos podiam ser fabricados de forma consistente.
Eles ficaram conhecidos como válvulas, e logo substituíram os cristais em aparelhos de rádio em todos os lugares. Estas descobertas levariam a uma explosão de novas tecnologias. A eletrônica do início do século XX resumia-se ao que podia ser feito com válvulas. A indústria do rádio foi construída com as válvulas, as primeiras TV's e computadores foram feitos com válvulas. O mundo da eletrônica foi construído com elas.
Após descobrir como manipular os elétrons que fluíam através do vácuo, os cientistas agora estavam ansiosos para entender como eles poderiam fluir através de outros materiais. Mas isso significava entender o que compunha os materiais... os átomos.
Nos primeiros anos do século XX entenderíamos finalmente a composição e o comportamento dos átomos. E assim, o que a eletricidade era em escala atômica. Na Universidade de Manchester, a equipe de Ernest Rutherford estudava a estrutura interna do átomo e produzia uma imagem para descrever a sua aparência. Essa revelação finalmente ajudaria a explicar uma das características mais intrigantes da eletricidade.
Em 1913, a imagem do átomo era a de um núcleo de carga positiva no meio cercado por elétrons orbitantes de carga negativa, em padrões chamados de camadas. Cada uma dessas camadas correspondia a um elétron com uma determinada energia. Com um impulso de energia, um elétron poderia saltar de uma camada interna para uma externa. E a energia tinha que ser adequada, caso contrário, o elétron não faria a transição. E esse impulso geralmente era temporário, pois o elétron retornava à sua camada original. Ao fazer isso, ele tinha que liberar seu excesso de energia desprendendo um fóton... e a energia de cada fóton dependia do seu comprimento de onda, ou, como a percebemos, a sua cor.
Compreender a estrutura dos átomos agora poderia explicar os grandes espetáculos de luz da natureza. Assim como os tubos de Geissler, o tipo de gás através do qual a eletricidade passa define a sua cor. O raio tem um tom azul por causa do nitrogênio em nossa atmosfera. Mais elevado na atmosfera, os gases são diferentes assim como a cor dos fótons que eles produzem, criando auroras espetaculares. Entender os átomos, como eles se encaixam nos materiais e como seus elétrons se comportam, era a chave final para entender a natureza fundamental da eletricidade.
Esta é uma máquina Wimshurst, usada para gerar carga elétrica. Os elétrons são friccionados nestes discos e iniciam um fluxo de eletricidade através dos braços de metal da máquina. Os metais conduzem a eletricidade porque os elétrons têm ligações fracas dentro dos seus átomos por isso podem se disseminar e serem usados para fluir como eletricidade.
Os isolantes, por outro lado, não conduzem eletricidade pois os elétrons estão fortemente ligados dentro dos átomos e não têm liberdade para se mover. O fluxo de elétrons e, portanto, da eletricidade, através dos materiais, era agora compreendido. Condutores e isolantes podiam ser explicados. O mais difícil de entender eram as estranhas propriedades dos semicondutores.
Nosso mundo eletrônico atual baseia-se nos semicondutores. Estagnaríamos sem eles. Jagadish Chandra Bose chegou perto de entendê-los em 1890, mas ninguém poderia prever o quão importantes se tornariam. Mas com a eclosão da II Guerra Mundial, as coisas estavam prestes a mudar. Aqui, em Oxford, este laboratório de física recém-construído foi imediatamente entregue ao esforço de pesquisa de guerra. Os pesquisadores daqui foram incumbidos de melhorar o sistema de radar britânico.
ESTE FILME É CONFIDENCIAL
O radar era uma tecnologia que usava ondas eletromagnéticas para detectar bombardeiros inimigos, e conforme melhorava sua precisão, ficou claro que as válvulas não estavam à altura da tarefa. Assim, a equipe teve que recorrer à antiga tecnologia em vez de válvulas, ela usou cristais semicondutores. Não utilizou o mesmo tipo de cristais que Bose desenvolveu, em vez disso, ela usou silício.
Este dispositivo é um receptor de cristal de silício. Há uma pequena espiral de tungstênio que toca a superfície de um pequeno cristal de silício. É incrível o quanto este dispositivo foi importante. Era a primeira vez que o silício era explorado como semicondutor, mas para que ele funcionasse, era preciso ser muito puro e os dois lados envolvidos na guerra investiram muitos recursos para purificá-lo.
Os britânicos tinham os melhores dispositivos de silício. Eles deviam ter algumas bobinas de silício já naquela época, enquanto nós estávamos apenas começando em Berlim. Os britânicos tinham melhores semicondutores de silício porque tinham a ajuda de laboratórios dos EUA, em particular, a famosa Bell Labs. E não demorou para que os físicos percebessem que se semicondutores podiam substituir as válvulas do radar, talvez pudessem substituir as válvulas em outros dispositivos, como amplificadores.
O tubo de vácuo simples, com sua corrente unilateral de elétrons, foi modificado para produzir um novo dispositivo. Ao colocar uma grade de metal no caminho dos elétrons e aplicar uma pequena tensão, uma mudança dramática na intensidade do feixe era produzida. Estas válvulas funcionavam como amplificadores, transformando um sinal elétrico muito fraco em um mais forte.
Um amplificador é algo muito simples. Pega-se uma pequena corrente e a transforma numa grande. Mas, em outro aspecto, isso muda o mundo, pois quando se pode amplificar um sinal, pode-se enviá-lo a qualquer lugar do mundo.
Logo que a guerra acabou, o especialista alemão Herbert Matare e seu colega, Heinrich Welker, começaram a construir um dispositivo semicondutor que poderia ser usado como amplificador elétrico. E aqui está! O primeiro modelo funcional que Matare e Welker fizeram. Se observarmos, podemos ver o minúsculo cristal e os fios que fazem contato com ele. Se passarmos uma pequena corrente através de um dos fios, isso permite que uma corrente bem maior saia pelo outro, ele agia como um amplificador de sinal.
Estes dispositivos minúsculos poderiam substituir válvulas grandes e caras em redes de telefonia de longa distância, rádios e outros aparelhos onde um sinal ínfimo requeria reforço. Matare imediatamente percebeu o que havia criado, mas seus chefes inicialmente não se interessaram. Não, até que um estudo foi publicado em um periódico anunciando uma descoberta da Bell Labs. Uma equipe de pesquisa dela havia se deparado com a mesma propriedade e agora anunciava o seu invento para o mundo. Eles o chamaram de transistor.
Eles o produziram em dezembro de 1947, e nós, no início de 1948. Mas assim é a vida. Chegaram mais cedo à propriedade. Mas, curiosamente, seus transistores não eram tão bons. Embora o dispositivo europeu fosse mais confiável do que o modelo mais "experimental" da Bell Labs, nenhum cumpria bem a sua promessa. Eles funcionavam, mas eram delicados demais. Assim, iniciava-se a busca por um modo mais robusto de amplificar sinais elétricos e o avanço se deu por acaso.
Na Bell Labs, o especialista em cristal de silício, Russell Ohl, notou que uma das barras de silício tinha uma propriedade estranha. Parecia ser capaz de gerar sua própria tensão e quando ele tentou medir isso ligando-o a um osciloscópio, notou que a tensão oscilava o tempo todo. A quantidade de tensão que gerava parecia depender da quantidade de luz que havia na sala. Assim, ao produzir uma sombra sobre o cristal, ele viu a tensão cair. Mais luz e a tensão subia. Além disso, quando ele ligou um ventilador entre a lâmpada e o cristal a tensão começou a oscilar com a mesma frequência que as pás do ventilador ao produzir sombras sobre o cristal.
Um dos colegas de Ohl logo percebeu que a barra tinha uma fenda, que formava uma ligação natural, e esta minúscula ligação natural em um bloco aparentemente sólido agia como a ligação bem mais delicada entre a ponta de um fio e um cristal que Bose descobrira.
Exceto que neste, ela era sensível à luz. A barra havia rachado, porque ambos os lados continham valores ligeiramente diferentes de impurezas. Um lado tinha um pouco mais do elemento fósforo enquanto o outro tinha um pouco mais de uma impureza diferente. O boro. E os elétrons eram capazes de se mover do lado do fósforo para o do boro, mas não vice-versa. Os fótons da luz brilhando sobre o cristal estavam expulsando elétrons dos átomos, mas eram os átomos das impurezas que estavam controlando esse fluxo. O fósforo tem um elétron para ceder... e o boro está disposto a receber outro, assim os elétrons tendem a fluir do lado do fósforo para o do boro. E só fluíam unilateralmente através da fenda.
O chefe da equipe de semicondutores, William Shockley, viu o potencial dessa ligação de mão única dentro de um cristal, mas como seria possível criar um cristal com duas junções, que pudesse ser usado como amplificador?
Outro pesquisador da Bell Labs, chamado Gordon Teal, vinha trabalhando numa técnica que possibilitaria isso. Ele descobrira um modo especial de produzir monocristais do semicondutor germânio. Neste instituto de pesquisa, eles produzem cristais semicondutores da mesma forma que Teal fazia na Bell Labs só que aqui, são produzidos bem maiores.
Na parte inferior deste tanque há um recipiente com germânio derretido tão puro quanto possível. Dentro dele, há alguns átomos com a impureza necessária para alterar suas propriedades condutoras. O braço giratório tem um cristal semente na parte inferior que foi mergulhado no líquido e será lentamente erguido. À medida que o germânio esfria e endurece, ele forma um cristal longo como um pingente de gelo, abaixo da semente. Toda a extensão é um único e belo cristal de germânio.
Teal percebeu que, conforme o cristal se desenvolve, outras impurezas podem ser adicionadas e misturadas. Isso cria um monocristal com finas camadas de diferentes impurezas criando junções dentro do cristal. Este cristal com duas junções era o sonho de Shockley. Aplicar uma pequena corrente através da finíssima seção média permite que uma corrente muito maior flua por toda a estrutura.
De um monocristal como este, centenas de minúsculos blocos podem ser cortados, cada um contendo as duas junções possibilitando que o movimento dos elétrons através delas seja controlado com precisão. Estes dispositivos minúsculos e confiáveis seriam usados em todo o tipo de equipamento elétrico. Não se pode ter os equipamentos eletrônicos atuais sem estes microcomponentes. E é engraçado, na verdade, pois quanto menores, mais confiáveis eles ficam. Todos saem ganhando. A equipe da Bell Labs ganhou o Nobel por sua invenção que mudou o mundo, enquanto o equipe europeia foi esquecida.
William Shockley deixou a Bell Labs, e em 1955 fundou seu próprio laboratório de semicondutores na zona rural da Califórnia, recrutando os melhores formandos em física do país. Mas o clima de festa não durou muito, porque era quase impossível se trabalhar com Shockley. As pessoas deixavam sua empresa porque não gostavam da forma como ele as tratava. O fato de Shockley ser tão insuportável originou o Vale do Silício. Ele dá início a todo esse processo de divisão e surgimento de novas empresas.
Tudo começou com Shockley sendo um ser humano tão revoltante. As novas empresas concorriam entre si para criar os mais modernos dispositivos semicondutores. Elas fizeram transistores tão pequenos que um grande número deles podia ser incorporado em um circuito elétrico impresso numa única placa de cristal semicondutor. Estes chips minúsculos e confiáveis podiam ser usados em todo tipo de equipamento elétrico, sobretudo em computadores. Iniciava-se uma nova era.
Hoje, os microchips estão em toda parte. Eles transformaram quase todos os aspectos da vida moderna, da comunicação, transporte e entretenimento. Mas, talvez, igualmente importante, nossos computadores se tornaram tão poderosos que estão nos ajudando a compreender o universo em toda a sua complexidade. Um único microchip como este pode conter em torno de quatro milhões de transistores.
É incrível o quanto a tecnologia avançou em 60 anos. É fácil pensar que com os grandes avanços que fizemos no conhecimento e exploração da eletricidade, haja pouca coisa para se aprender sobre ela. Mas estaríamos enganados. Por exemplo, criar circuitos cada vez menores implica que uma característica da eletricidade, que já era conhecida há mais de um século, tornou-se cada vez mais problemática: a resistência.
Um chip de computador deve ser continuamente resfriado. Se retirarmos o cooler, eis o que acontece. Que aumento! De 100, 120, 130 graus... 200 graus, e ele para. Isso só levou alguns segundos e o chip fritou. Conforme os elétrons circulam pelo chip, eles não se deslocam livremente. Eles estão colidindo nos átomos de silício, e a energia perdida por tais elétrons está produzindo calor. Por vezes, isso foi útil. Inventores criaram aquecedores elétricos e fornos, e quando algo apresentava brilho incandescente, obtinha-se uma lâmpada. Mas a resistência em aparelhos eletrônicos, e em linhas de transmissão, gera o maior desperdício de energia e é um grande problema.
Acredita-se que a resistência desperdiça até 20% de toda a eletricidade que geramos. É um dos maiores problemas dos tempos modernos. E continua a busca por um meio de solucionar o problema da resistência. O que entendemos como temperatura é na verdade uma medida da quantia de átomos que vibram em um material. E se os átomos estão vibrando, então os elétrons que estão correndo têm maior chance de chocar-se com eles.
Em geral, quanto mais quente o material, maior será a sua resistência elétrica, e quanto mais frio ele é, menor a resistência. Mas o que acontece se resfriarmos algo perto do zero absoluto, a -273 graus Celsius? No zero absoluto, não há calor algum, portanto, os átomos não se movem. O que acontece com o fluxo de eletricidade? O fluxo de elétrons?
Usando um dispositivo especial chamado criostato, que pode manter tudo próximo ao zero absoluto, podemos descobrir. Dentro deste criostato, nesta bobina, está o mercúrio, o famoso metal líquido. Ele faz parte de um circuito elétrico. Este equipamento aqui mede a resistência no mercúrio, mas veja o que ocorre quando eu desço o mercúrio até a parte mais fria do criostato. Aí está. A resistência caiu até o zero. O mercúrio, como muitas substâncias hoje conhecidas, tem esta propriedade de se tornar um supercondutor, significa que não apresenta nenhuma resistência ao fluxo de eletricidade. Mas esses materiais só funcionam quando estão supercongelados.
Se pudéssemos usar um material supercondutor em nossas linhas de transmissão e aparelhos eletrônicos, evitaríamos a perda de tanta energia elétrica valiosa através da resistência. O problema era que os supercondutores tinham de ser mantidos a temperaturas muito baixas. Então, em 1986, foi feito um grande avanço. Em um pequeno laboratório perto de Zurique, na Suíça, físicos da IBM descobriram supercondutividade em uma nova classe de materiais, que está sendo classificado de um dos mais importantes avanços científicos em décadas.
Este é um bloco do mesmo material fabricado pelos pesquisadores na Suíça. Ele não parece muito extraordinário, mas se o esfriarmos com nitrogênio líquido, algo especial acontece. Ele se torna um supercondutor, e como a eletricidade e o magnetismo estão tão intimamente ligados, isso lhe dá propriedades magnéticas igualmente extraordinárias. Este ímã está suspenso, levitando sobre o supercondutor. O emocionante é que, embora frio, este material está muito acima do zero absoluto. Estes campos magnéticos são tão fortes que podem suportar não apenas o peso deste ímã, mas devem também suportar o meu peso. Estou prestes a levitar. É uma sensação muito estranha.
Quando este material foi descoberto em 1986, ele criou uma revolução. Não apenas ninguém o considerara como um supercondutor, mas ele fazia isso a uma temperatura muito maior do que se achava possível. Estamos bem perto de conseguir supercondutores à temperatura ambiente. Ainda não chegamos lá, mas um dia, um novo material será descoberto, e quando o pusermos em nossos equipamentos, poderemos construir um mundo mais barato, melhor e mais sustentável.
Hoje, os materiais produzidos que exibem esse fenômeno o fazem na temperatura que encontramos em nosso freezer. Mas estes novos supercondutores não podem ser completamente explicados pelos teóricos. Assim, sem conhecimento completo, os experimentalistas muitas vezes são guiados tanto pela sorte como pelo conhecimento científico adequado.
Recentemente, um laboratório no Japão fez uma festa na qual acabaram combinando seus supercondutores com uma série de bebidas alcoólicas. Inesperadamente, descobriram que o vinho tinto melhora o desempenho dos supercondutores. A pesquisa elétrica hoje, tem o potencial, mais uma vez, de revolucionar nosso mundo, se os supercondutores à temperatura ambiente puderem ser descobertos.
Nossa dependência do poder da eletricidade só está aumentando. E quando entendermos completamente como explorar os supercondutores, um novo mundo elétrico estará sobre nós. Ele nos levará a um dos períodos mais prolíficos de descoberta e invenção humanas, um novo conjunto de ferramentas, técnicas e tecnologias para, mais uma vez, transformar o mundo.
A eletricidade mudou nosso mundo. Há apenas algumas centenas de anos, ela era vista como uma maravilha misteriosa e mágica. Em seguida, ela saiu dos laboratórios, com uma série de experiências estranhas e maravilhosas, acabando por ser dominada e utilizada. Ela revolucionou as comunicações, primeiro através de cabos, e depois, como ondas, através dos campos de longo alcance da eletricidade. Ela abastece e ilumina o mundo moderno.
Hoje, mal conseguimos imaginar a vida sem eletricidade. Ela define a nossa era, e estaríamos completamente perdidos sem ela. Mesmo assim, ela ainda nos oferece mais. Mais uma vez, estamos diante do início de uma nova era de descoberta, de uma nova revolução. Mas sobretudo, há uma coisa que todos que lidam com a ciência da eletricidade sabem... a sua história ainda não acabou.
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