Geradores eletrostáticos: história da eletricidade estática

Máquina geradora eletrostática de Wimshurst. História dos geradores eletrostáticos

A história da ciência e tecnologia é uma evolução constante de descobertas e melhorias. Um grande exemplo disso são as máquinas ou geradores eletrostáticos. Neste breve ensaio, veremos a história da eletricidade cronologicamente por meio descobertas relacionadas à eletrostática e suas aplicações técnicas, principalmente na forma de geradores, já que se descobriu que a fricção do âmbar atraía certos objetos e não se sabia bem por que mesmo os mais modernos geradores que hoje são máquinas obsoletas que são utilizadas para o ensino e jogos recreativos de física.

Um gerador eletrostático é capaz de gerar altas tensões, mas com correntes muito pequenas.. São baseados no atrito, a partir da energia mecânica que temos que contribuir para atingir o atrito em dois materiais, uma parte se transforma em calor e a outra em energia eletrostática.

Grécia Antiga. O começo.

Há referências à atração de objetos pelo âmbar após esfregá-lo com pano ou pele, mas não foi além disso. Ninguém pensava que essa atração poderia ser gerada continuamente e colocada em uso prático.

Como eu disse, o efeito é descrito, mas não investigado mais. Não haverá grandes avanços neste campo até o século XVII com William Gilbert e Otto von Guericke e especialmente no século XNUMX, graças às obras de Franklin, Priestlye e Coulomb.

Fenômenos naturais

Os efeitos relacionados à eletricidade, desde peixes que davam descargas até raios, foram detalhados desde o antigo Egito, mas ninguém havia entendido esses fenômenos ou os relatado. Eles eram um mistério.

Em 585 AC, o filósofo grego Tales de Mileto estudou as propriedades da magnetita que atraiu o ferro comparando-a com a do âmbar que atrai muitos tipos de objetos. Ele foi o primeiro a citar essa propriedade do âmbar. Em grego, âmbar é Elektron.

Século XNUMX a revolução começa

Aqui a questão começa a decolar. Eles começam a fazer mais e mais descobertas relacionadas à eletricidade com um pico febril na segunda metade do século XIX.

William Gilbert deu o nome de eletricidade
William Gilbert (1544-1603)

William Gilbert em 1600 descobriram que o cristal de rocha e algumas pedras preciosas também atraem objetos, como o âmbar, quando esfregados. Ele chamou todas essas substâncias de elétricas porque tinham as mesmas propriedades do âmbar que como já dissemos em grego, era dito Elektron e o fenômeno era chamado de eletricidade. Essa expressão aparece em seu famoso livro De Magnete.

Já temos nossa amada eletricidade aqui. Como essa eletricidade parecia permanecer nos corpos se não houvesse variação para modificá-los, foi chamada de eletricidade estática.

William Gilbert também inventou o eletroscópio uma ferramenta que permite saber se um corpo está carregado ou não

No blog Como fazer um eletroscópio caseiro

Bola de Enxofre de Otto von Guericke

Bola de Enxofre de Otto von Guericke

Em 1660, Otto von Guericke (1602-1686), famoso por seus experimentos a vácuo e por inventar a bomba de ar em 1645, inventou o primeiro gerador eletrostático simples. Consistia em uma bola ou globo de enxofre que girava em torno de um eixo com uma manivela e gerava eletricidade esfregando a mão.

Ele poderia ser carregado e descarregado indefinidamente e até mesmo conseguia produzir faíscas com sua bola eletrificada.

Guericke fez sua bola despejando enxofre derretido em uma esfera oca de vidro. Assim que o enxofre esfriou, o molde de vidro se quebrou. Mais tarde, eles descobririam que a própria esfera de vidro alcançou os mesmos resultados por conta própria.

Lâmpada e gerador de descarga de mercúrio Hauksbee

A pesquisa científica continua e surge o primeiro uso realmente prático.

gerador hauksbee

Em 1706, esse físico inglês construiu uma esfera de cristal que girava com uma manivela e que, por atrito, gerava uma carga elétrica maior que a da bola de enxofre.

Observou-se que se o dispositivo barométrico de mercúrio inventado por Evangelista Torricelli fosse sacudido e a parte vazia fosse observada no escuro, ele emitia luz. Então, em 1730 Francis Hauksbee, inventou a primeira lâmpada de descarga de gás de mercúrio. Ele projetou uma máquina que consistia em um rotor para esfregar um pequeno disco âmbar em uma câmara de vácuo e, quando havia vapor de mercúrio naquela câmara, ele entrava em ignição.

Usos estranhos

Como eu disse na seção sobre a bola de enxofre, o molde de vidro funcionou tão bem quanto o enxofre para fazer um gerador eletrostático. Então Winkler configurou sua máquina eletrostática usando copos de cerveja como um rotor (eu só encontrei este anectodo em uma teia e não fui capaz de comparar as informações. Deixo porque me parece curioso e confiável, mas leve com cuidado)

A eletricidade eletrostática e suas máquinas se tornaram no século XNUMX um brinquedo que as pessoas queriam experimentar. As pessoas queriam sentir um choque elétrico e dispositivos como o «o beijo eletrico«, Onde um casal era colocado em plataformas para que fossem carregados de eletricidade estática e quando se beijassem uma faísca saltava.

o beijo elétrico, um jogo de salão do século XNUMX para fazer experiências com eletricidade

E como sempre apareceram os charlatães que se aproveitavam de gente afirmando que podiam curar doenças com choques elétricos. Como faziam com as propriedades magnéticas e hoje fazem com todos os tipos de produtos, pedras, alvejantes e outros. A humanidade nunca foi salva do picaresco e dos golpistas.

Garrafa de leyden

A garrafa de Leyden

Em 1745, Ewald Jürgen von Kleist (1700-1748) inventou a garrafa de Leyden ou jarra de Leyden. Enquanto tentava encontrar uma maneira de armazenar energia elétrica, ocorreu-lhe usar uma garrafa cheia de água ou mercúrio. No ano seguinte, de forma independente, o físico Cunnaeus chegou à mesma solução em Leyden, na Holanda. Este é o nome que conhecemos atualmente para a invenção.

A garrafa de Leyden é a precursora dos capacitores e do seu estudo e inovação surgiram esses elementos. Depois de estudar quais substâncias eram melhores para armazenar energia dentro da garrafa, eles perceberam que se você deixasse a garrafa vazia e adicionasse uma camada de metal dentro e fora da garrafa, a energia eletrostática também era armazenada.

E isso já é um condensador atual. Duas folhas de metal separadas por um dielétrico.

E então chegamos a a primeira vítima conhecida e registrosdado por eletrocussão (sem contar as pessoas mortas por raios, é claro). Para conseguir cargas mais altas, eles começaram a conectar várias garrafas de Leyden formando uma bateria.

Bateria de garrafa de Leyden

E embora o abade francês Nollet tivesse mostrado que pequenos animais, como pássaros e peixes, morriam instantaneamente com a descarga de uma jarra de Leyden, ninguém imaginava o perigo que essa nova energia com a qual brincavam poderia acarretar.

Em 6 de agosto de 1783 em São Petersburgo, o professor Richman e seus assistentes foram atingidos por um raio de condensadores de carga. Nada aconteceu com o assistente, mas Richman morreu imediatamente. O relatório médico disse:

Ele tinha apenas um pequeno orifício na testa, um sapato esquerdo queimado e uma mancha azul no pé. [...] O cérebro estava bem, a parte da frente do pulmão saudável, mas a parte de trás estava marrom e preta de sangue.

Cómo construir uma garrafa de Leyden caseiro.

Benjamin Franklin e o pára-raios

Benjamin Franklin e a descoberta do pára-raios com uma pipa

Possivelmente, a história eletrostática mais conhecida é a de Benjamin Franklin e seus cometas de dias tempestuosos. Benjamin Franklin era um fã de garrafas de Leyden.

Ele propôs que quando houvesse excesso de fluido elétrico será chamado eletricidade positiva e quando havia deficiência, eletricidade negativa.

Observando como as garrafas de Leyden eram descarregadas, ele observou que, ao se exaurir, emitia uma faísca muito semelhante a um som, um estalo, semelhante a um trovão.

Em 1745, ele começou seus experimentos com eletricidade. Ele teve a intuição de que o relâmpago era uma carga elétrica e queria provar isso.

Em 1751 ele empinou uma pipa com uma ponta de metal em uma tempestade, ela foi presa a um fio de seda. No final, perto de Franklin, havia uma segunda corda com chave de metal. Ele veio para armazenar energia de raios em garrafas de Leyden.

Ele rapidamente encontrou uma aplicação prática para suas experiências, Pára-raios. Ele tinha observado que as garrafas eram descarregadas mais cedo se tivessem uma agulha, e como ele havia concluído que os raios iam para os prédios e eram carregados, ele pensou em colocar uma haste de metal pontiaguda e conectá-la ao solo para que ser descarregado.

Em 1752, ele publicou suas idéias em Pobre Richard's Almanac e foi um sucesso, pois os pára-raios foram instalados nos edifícios.

Lei de Coulomb

Em 1785, ele enunciou sua famosa lei.

Lei de Coulomb
Do usuário: DNA-Dennis, CC POR 3.0,

De suas experiências, foi deduzido que a força exercida entre duas cargas elétricas em repouso (eletrostática), localizados no vácuo e cujas dimensões são pequenas em comparação com a distância que os separa, tem as seguintes características (para cargas pontuais):

  1. Ele atua na direção da linha que une as duas cargas.
  2. É atraente se as cargas forem distinguíveis e repulsivas se forem iguais
  3. É proporcional ao produto das quantidades das cargas
  4. É inversamente proporcional ao quadrado das distâncias que os separam.

No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de carga elétrica é o coulomb (C) que é definido a partir da unidade fundamental de intensidade de corrente I que é o Ampère (A)


Rotor de disco e pilha

Em 1800 o primeiro geradores baseados em disco. Seu eunventor foi o inverno, a mão é substituída por uma almofada de couro preparada com mercúrio para fricção, conseguindo assim um resultado mais contínuo.

Ao mesmo tempo, cerca de 1799, os primeiros experimentos eletrolíticos foram conduzidosO mesmo resultado ou melhor foi obtido do que com garrafas de Leyden.

En 1800 Alessandro Volta revelou a primeira bateria elétrica, a bateria voltaica Foi uma revolução completa, pois superou muitos dos problemas da eletrostática e permitiu gerar energia continuamente e à vontade. Tratarei da cronologia da história das baterias químicas em outro ensaio.

Gerador elétrico e gaiola de Faraday

Em 1836 Faraday descobriu este fenômeno pelo qual o campo eletromagnético dentro de um condutor em equilíbrio é zero.

Hoje, esse conceito é usado como proteção contra sobretensão em muitos rádios, discos rígidos, aparelhos de televisão, repetidores e para proteger equipamentos eletrônicos em aviões de serem queimados por raios.

Anteriormente em 1831 ele inventou o gerador elétrico de corrente contínuaUm dínamo. Ele descobriu que se movermos um circuito fechado em um campo magnético, uma força eletromotriz é gerada.

A máquina Wimshurst

Gerador eletrostático da máquina Wimshurst

Eles são os geradores de disco eletrostáticos mais avançados e representam o ápice desse tipo de máquina que aos poucos foi sendo relegada à curiosidade científica e um brinquedo para crianças.

É um gerador de cargas elétricas por indução eletrostática. Nesta seção, geradores desse tipo foram desenvolvidos por Wilhelm Holtz (1865 e 1867), August Toepler (1865) e J. Robert Voss (1880). Mas eram máquinas menos eficientes e com tendência a mudar muito a polaridade.

A máquina de Wimshurst resolveu todos esses problemas. São alcançadas tensões de 200.000 a 300.000 volts.

Obtiveram-se resultados muito bons e foram usados ​​para alimentar tubos de raios-X.

No blog Como fazer uma máquina Wimshurst


A bobina de indução Ruhmkorff

Bobina de indução

Em 1857, Heinrich Daniel Ruhmkorf inventou a bobina de indução, uma espécie de transformador que permite o envio de pulsos de alta tensão a partir de corrente contínua de baixa tensão.

Essa descoberta foi a que começou a relegar todas as máquinas eletrostáticas. Isso os tornou obsoletos.


O gerador Van De Graaff

Gerador eletrostático Van de Graaff
De Zatonyi Sandor, (ifj.) Fizped - Trabalho próprio, CC BY 3.0,

Pegamos um salto de tempo e vamos para 1931, Robert Van de Graaff inventa o gerador que leva seu nome para gerar altas tensões da ordem de 20 milhões de Volts para acelerar partículas em laboratório. Em seu primeiro modelo, ele relatou 1,5 milhão de Volts.

É um gerador de corrente contínua. Envia as cargas pela correia até um elemento oco, geralmente uma esfera.

O maior potencial sustentado por um acelerador Van de Graff é de 25.5 MV, alcançado por Tandem na "Instalação de feixe de íons radioativos de Holifield" no "Laboratório Nacional de Oak Ridge"

Em Ikkaro Como fazer um gerador Van de Graaff


O gerador de vapor eletrostático

Quero citar este gerador porque seu funcionamento se baseia em um princípio diferente do que vimos até agora.

O vapor úmido que é pressionado através de um bico causa uma carga elétrica. Eram máquinas difíceis de manter e muito caras, mas davam bons resultados no dia.

Conclusão

A eletricidade teve grandes avanços técnicos e teóricos desde o século XVII até os dias atuais. Sendo a segunda metade do século XIX uma apoteose da engenharia com centenas de avanços e modificações.

Neste teste acompanhamos a evolução da eletricidade estática através dos geradores eletrostáticos que foram fabricados. Desde a sua descoberta até os últimos geradores.

Como você deve ter visto, embora eu tenha mencionado isso, eu não me dediquei a baterias elétricas, eletrólise ou geração de corrente contínua e alternada, guerra de correntes ou uma grande variedade de tópicos relacionados à história da eletricidade., mas é um tópico tão amplo que eu queria restringi-lo focalizando a eletrostática, que, digamos, é o primeiro estágio desde a descoberta da eletricidade.

Se você perceber que deixei um ponto importante no campo da eletrostática ou dos inventores, engenheiros e cientistas que o estudaram, não hesite em me deixar um comentário.

Fontes

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