História da teoria eletromagnética - History of electromagnetic theory

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Formulação covariante Tensor eletromagnético ( tensor tensão-energia ) Quatro correntes Quatro potenciais eletromagnéticos
Cientistas Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Cantor Tesla Volta Weber Poisson
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A história da teoria eletromagnética começa com medidas antigas para entender a eletricidade atmosférica , em particular os relâmpagos . Na época, as pessoas tinham pouca compreensão de eletricidade e eram incapazes de explicar o fenômeno. A compreensão científica da natureza da eletricidade cresceu ao longo dos séculos XVIII e XIX por meio do trabalho de pesquisadores como Coulomb , Ampère , Faraday e Maxwell .

No século 19, ficou claro que eletricidade e magnetismo estavam relacionados, e suas teorias foram unificadas: onde quer que cargas estejam em movimento, resulta a corrente elétrica, e o magnetismo se deve à corrente elétrica. A fonte do campo elétrico é a carga elétrica , ao passo que a do campo magnético é a corrente elétrica (cargas em movimento).

História antiga e clássica

O conhecimento da eletricidade estática remonta às primeiras civilizações, mas por milênios ela permaneceu apenas um fenômeno interessante e mistificador, sem uma teoria para explicar seu comportamento, e era frequentemente confundido com magnetismo. Os antigos estavam familiarizados com propriedades bastante curiosos possuídas por dois minerais, âmbar ( grego : ἤλεκτρον , Elektron ) e minério de ferro magnético ( μαγνῆτις λίθος Magnetis lithos "a pedra magnesiana, lodestone"). O âmbar, quando esfregado, atrai objetos leves, como penas; O minério de ferro magnético tem o poder de atrair ferro.

A descoberta da propriedade dos ímãs .
Os ímãs foram encontrados pela primeira vez em um estado natural; certos óxidos de ferro foram descobertos em várias partes do mundo, notadamente na Magnésia na Ásia Menor , que tinham a propriedade de atrair pequenos pedaços de ferro, que é mostrada aqui.

Com base na descoberta de um artefato de hematita olmeca na América Central , o astrônomo americano John Carlson sugeriu que "os olmecas podem ter descoberto e usado a bússola de magnetita geomagnética antes de 1000 aC". Se for verdade, isso "antecede a descoberta chinesa da bússola magnética geomagnética em mais de um milênio". Carlson especula que os olmecas podem ter usado artefatos semelhantes como um dispositivo direcional para propósitos astrológicos ou geomânticos , ou para orientar seus templos, as habitações dos vivos ou os enterros dos mortos. A mais antiga referência da literatura chinesa ao magnetismo encontra-se em um livro do século 4 aC chamado Livro do Mestre do Vale do Diabo (鬼谷 子): "O ímã faz o ferro vir ou o atrai."

Os bagres elétricos são encontrados na África tropical e no Rio Nilo .

Muito antes de qualquer conhecimento sobre eletromagnetismo existir, as pessoas estavam cientes dos efeitos da eletricidade . Os relâmpagos e outras manifestações de eletricidade, como o fogo de Santo Elmo, eram conhecidos na antiguidade, mas não se entendia que esses fenômenos tinham uma origem comum. Os antigos egípcios estavam cientes dos choques ao interagir com peixes elétricos (como o bagre elétrico) ou outros animais (como enguias elétricas ). Os choques dos animais eram evidentes para os observadores desde a pré-história por uma variedade de povos que tiveram contato com eles. Textos de 2750 aC pelos antigos egípcios referiam-se a esses peixes como "trovejantes do Nilo " e os viam como "protetores" de todos os outros peixes. Outra possível abordagem para a descoberta da identidade do relâmpago e da eletricidade de qualquer outra fonte, deve ser atribuída aos árabes, que antes do século 15 usavam a mesma palavra árabe para relâmpago ( barq ) e raio elétrico .

Tales de Mileto , escrevendo por volta de 600 aC, observou que esfregar a pele em várias substâncias, como o âmbar, faria com que atraíssem partículas de poeira e outros objetos leves. Thales escreveu sobre o efeito agora conhecido como eletricidade estática . Os gregos notaram que, se esfregassem o âmbar por tempo suficiente, poderiam até fazer uma faísca elétrica saltar.

Esses fenômenos eletrostáticos foram novamente relatados milênios depois por naturalistas e médicos romanos e árabes . Vários escritores antigos, como Plínio, o Velho e Scribonius Largus , atestaram o efeito entorpecente dos choques elétricos causados por bagres e raios de torpedo . Plínio em seus livros escreve: "Os antigos toscanos, por sua cultura, afirmam que existem nove deuses que enviam raios e aqueles de onze tipos." Em geral, essa era a ideia pagã inicial de relâmpago. Os antigos sustentavam o conceito de que os choques podiam viajar ao longo de objetos condutores. Pacientes que sofriam de doenças como gota ou dor de cabeça eram orientados a tocar em peixes elétricos na esperança de que o poderoso choque pudesse curá-los.

Vários objetos encontrados no Iraque em 1938 datados dos primeiros séculos dC ( Sassanid Mesopotâmia ), chamados de Bateria de Bagdá , se assemelham a uma célula galvânica e acredita-se que tenham sido usados ​​para galvanoplastia . As alegações são controversas por causa das evidências e teorias de apoio para o uso dos artefatos, evidências físicas sobre os objetos propícios para funções elétricas e se eles eram de natureza elétrica. Como resultado, a natureza desses objetos é baseada na especulação , e a função desses artefatos permanece em dúvida.

Idade Média e Renascença

A atração magnética já foi considerada por Aristóteles e Tales como o trabalho de uma alma na pedra.

A bússola de agulha magnética foi desenvolvida no século 11 e melhorou a precisão da navegação, empregando o conceito astronômico de norte verdadeiro ( Dream Pool Essays , 1088). Naquela época, o cientista chinês Shen Kuo (1031–1095) foi a primeira pessoa conhecida a escrever sobre a bússola de agulha magnética e, no século 12, os chineses eram conhecidos por usar a bússola de magnetita para navegação. Na Europa, a primeira descrição da bússola e seu uso para navegação são de Alexander Neckam (1187), embora o uso de bússola já fosse comum. O seu desenvolvimento, na história europeia, deveu-se a Flavio Gioja de Amalfi

No século XIII, Pedro Peregrinus , natural de Maricourt, na Picardia , fez uma descoberta de fundamental importância. O estudioso francês do século 13 conduziu experimentos sobre magnetismo e escreveu o primeiro tratado existente descrevendo as propriedades de ímãs e agulhas de bússola giratórias. Em 1282, as propriedades dos ímãs e das bússolas secas foram discutidas por Al-Ashraf Umar II , um estudioso do Iêmen . A bússola seca foi inventada por volta de 1300 pelo inventor italiano Flavio Gioja.

O arcebispo Eustathius de Thessalonica , estudioso grego e escritor do século 12, registra que Woliver , rei dos godos , foi capaz de tirar faíscas de seu corpo. O mesmo escritor afirma que um certo filósofo foi capaz, enquanto se vestia, de tirar faíscas de suas roupas, um resultado aparentemente semelhante ao obtido por Robert Symmer em seus experimentos com meias de seda, um relato cuidadoso do qual pode ser encontrado em Philosophical Transactions , 1759.

O médico italiano Gerolamo Cardano escreveu sobre eletricidade em De Subtilitate (1550) distinguindo, talvez pela primeira vez, entre forças elétricas e magnéticas.

Século 17

Em direção ao final do século 16, um médico de tempo da rainha Elizabeth , Dr. William Gilbert , em De Magnete , ampliou o trabalho de Cardano e inventou o New Latin palavra electrica de ἤλεκτρον ( Elektron ), a palavra grega para "amber". Gilbert, natural de Colchester, membro do St John's College, Cambridge e, por vezes, presidente do College of Physicians, foi um dos primeiros e mais ilustres cientistas ingleses - um homem cujo trabalho Galileu considerava invejávelmente grande. Ele foi nomeado médico da corte e recebeu uma pensão para deixá-lo livre para continuar suas pesquisas em física e química.

Gilbert empreendeu uma série de experimentos elétricos cuidadosos, no decurso dos quais descobriu que muitas outras substâncias além do âmbar, como enxofre, cera, vidro, etc., eram capazes de manifestar propriedades elétricas. Gilbert também descobriu que um corpo aquecido perdia sua eletricidade e que a umidade impedia a eletrificação de todos os corpos, devido ao fato já conhecido de que a umidade prejudicava o isolamento de tais corpos. Ele também notou que as substâncias eletrificadas atraíam todas as outras substâncias indiscriminadamente, ao passo que um ímã só atraía o ferro. As muitas descobertas dessa natureza renderam a Gilbert o título de fundador da ciência elétrica . Ao investigar as forças em uma agulha metálica leve, equilibrada em um ponto, ele estendeu a lista de corpos elétricos e descobriu também que muitas substâncias, incluindo metais e ímãs naturais, não apresentavam forças de atração quando esfregadas. Ele notou que o tempo seco com vento norte ou leste era a condição atmosférica mais favorável para a exibição de fenômenos elétricos - uma observação sujeita a equívocos até que a diferença entre condutor e isolador fosse compreendida.

Robert Boyle .

O trabalho de Gilbert foi seguido por Robert Boyle (1627-1691), o famoso filósofo natural que já foi descrito como "pai da química e tio do conde de Cork". Boyle foi um dos fundadores da Royal Society quando esta se reuniu em particular em Oxford, e tornou-se membro do Conselho depois que a Sociedade foi incorporada por Carlos II. em 1663. Ele trabalhou frequentemente na nova ciência da eletricidade e acrescentou várias substâncias à lista de elétricas de Gilbert. Ele deixou um relato detalhado de suas pesquisas sob o título Experimentos sobre a origem da eletricidade . Boyle, em 1675, afirmou que a atração e repulsão elétrica podem agir no vácuo. Uma de suas descobertas importantes foi que corpos eletrificados no vácuo atrairiam substâncias leves, indicando que o efeito elétrico não dependia do ar como um meio. Ele também acrescentou resina à lista então conhecida de produtos elétricos.

Em 1663, Otto von Guericke inventou um dispositivo que agora é reconhecido como um dos primeiros (possivelmente o primeiro) gerador eletrostático , mas ele não o reconheceu principalmente como um dispositivo elétrico nem conduziu experimentos elétricos com ele. No final do século XVII, pesquisadores já haviam desenvolvido meios práticos de geração de eletricidade por fricção com gerador eletrostático , mas o desenvolvimento das máquinas eletrostáticas só começou para valer no século XVIII, quando se tornaram instrumentos fundamentais nos estudos sobre o novo ciência da eletricidade .

O primeiro uso da palavra eletricidade é atribuído a Sir Thomas Browne em sua obra de 1646, Pseudodoxia Epidemica .

A primeira aparição do termo eletromagnetismo, por outro lado, vem de uma data anterior: 1641. Magnes , do luminar jesuíta Athanasius Kircher , carrega na página 640 o provocativo título do capítulo: " Elektro-magnetismos ie Sobre o magnetismo do âmbar, ou atrações elétricas e suas causas "( ηλεκτρο-μαγνητισμος id est sive De Magnetismo electri, seu electricis Attractionibus earumque causis ).

século 18

Melhorando a máquina elétrica

Gerador construído por Francis Hauksbee .

A máquina elétrica foi posteriormente melhorada por Francis Hauksbee , seu aluno Litzendorf, e pelo Prof. Georg Matthias Bose , por volta de 1750. Litzendorf, pesquisando para Christian August Hausen , substituiu a bola de enxofre de Guericke por uma bola de vidro . Bose foi o primeiro a empregar o "condutor principal" nessas máquinas, consistindo em uma barra de ferro mantida na mão de uma pessoa cujo corpo foi isolado por estar sobre um bloco de resina. Ingenhousz , em 1746, inventou as máquinas elétricas feitas de chapa de vidro. Os experimentos com a máquina elétrica foram amplamente auxiliados pela descoberta de que uma placa de vidro, revestida em ambos os lados com papel alumínio, acumulava carga elétrica quando conectada a uma fonte de força eletromotriz . A máquina elétrica logo foi aperfeiçoada por Andrew Gordon , um escocês, professor em Erfurt, que substituiu um globo de vidro por um cilindro de vidro; e por Giessing de Leipzig que adicionou uma "borracha" consistindo de uma almofada de material de lã. O coletor, consistindo de uma série de pontas de metal, foi adicionado à máquina por Benjamin Wilson por volta de 1746 e, em 1762, John Canton da Inglaterra (também o inventor do primeiro eletroscópio de esfera de medula em 1754) melhorou a eficiência das máquinas elétricas borrifando um amálgama de estanho sobre a superfície da borracha.

Elétrica e não elétrica

Em 1729, Stephen Gray conduziu uma série de experimentos que demonstraram a diferença entre condutores e não condutores (isoladores), mostrando, entre outras coisas, que um fio de metal e até mesmo uma corda de maço conduziam eletricidade, enquanto a seda não. Em um de seus experimentos, ele enviou uma corrente elétrica através de 800 pés de fio de cânhamo que foi suspenso em intervalos por laços de fio de seda. Quando ele tentou conduzir o mesmo experimento substituindo a seda por fio de latão finamente fiado, ele descobriu que a corrente elétrica não era mais transportada através do fio de cânhamo, mas em vez disso parecia desaparecer no fio de latão. A partir dessa experiência, ele classificou as substâncias em duas categorias: "elétricas" como vidro, resina e seda e "não elétricas" como metal e água. Cargas "não elétricas" conduziam enquanto "elétricas" mantinham a carga.

Vítreo e resinoso

Intrigado com os resultados de Gray, em 1732, CF du Fay começou a realizar vários experimentos. Em seu primeiro experimento, Du Fay concluiu que todos os objetos, exceto metais, animais e líquidos poderiam ser eletrificados por fricção e que metais, animais e líquidos poderiam ser eletrificados por meio de uma máquina elétrica, desacreditando assim os "elétricos" e "não elétrica "classificação de substâncias.

Em 1733, Du Fay descobriu o que acreditava serem dois tipos de eletricidade de fricção; um gerado pela fricção de vidro, o outro pela fricção de resina. A partir disso, Du Fay teorizou que a eletricidade consiste em dois fluidos elétricos, "vítreo" e "resinoso", que são separados por fricção e que se neutralizam quando combinados. Esta imagem da eletricidade também foi apoiada por Christian Gottlieb Kratzenstein em seus trabalhos teóricos e experimentais. A teoria dos dois fluidos mais tarde daria origem ao conceito de cargas elétricas positivas e negativas desenvolvido por Benjamin Franklin.

Jarra de Leyden

Pieter van Musschenbroek .

O jarro de Leyden , um tipo de capacitor para energia elétrica em grandes quantidades, foi inventado independentemente por Ewald Georg von Kleist em 11 de outubro de 1744 e por Pieter van Musschenbroek em 1745-1746 na Universidade de Leiden (este último local deu o nome ao dispositivo). William Watson , ao fazer experiências com a jarra de Leyden, descobriu em 1747 que uma descarga de eletricidade estática era equivalente a uma corrente elétrica . A capacitância foi observada pela primeira vez por Von Kleist de Leyden em 1754. Von Kleist por acaso segurava, perto de sua máquina elétrica, uma pequena garrafa, em cujo gargalo havia um prego de ferro. Tocando o prego de ferro acidentalmente com a outra mão, ele recebeu um forte choque elétrico. Da mesma forma, Musschenbroeck, assistido por Cunaens, recebeu um choque mais severo de uma garrafa de vidro semelhante. Sir William Watson, da Inglaterra, melhorou muito esse dispositivo, cobrindo a garrafa, ou jarro, por fora e por dentro com papel alumínio. Este aparelho elétrico será facilmente reconhecido como o conhecido jarro de Leyden, assim chamado pelo Abade Nollet de Paris, após o local de sua descoberta.

Em 1741, John Ellicott "propôs medir a força da eletrificação por seu poder de levantar um peso em uma escala de uma balança enquanto a outra era mantida sobre o corpo eletrificado e puxado para ele por seu poder de atração". Já em 1746, Jean-Antoine Nollet (1700-1770) havia realizado experimentos sobre a velocidade de propagação da eletricidade. Ao envolver 200 monges cartuxos ligados mão a mão por fios de ferro de modo a formar um círculo de cerca de 1,6 km, ele conseguiu provar que essa velocidade é finita, embora muito alta. Em 1749, Sir William Watson conduziu vários experimentos para determinar a velocidade da eletricidade em um fio. Esses experimentos, embora talvez não tenham essa intenção, também demonstraram a possibilidade de transmitir sinais à distância pela eletricidade. Nessas experiências, o sinal parecia viajar instantaneamente pelo comprimento de 12.276 pés do fio isolado. Le Monnier, na França, já havia feito experimentos semelhantes, enviando choques por meio de um fio de ferro de 400 metros de comprimento.

Por volta de 1750, os primeiros experimentos em eletroterapia foram feitos. Vários experimentadores fizeram testes para verificar os efeitos fisiológicos e terapêuticos da eletricidade. Típico para esse esforço foi Kratzenstein em Halle, que em 1744 escreveu um tratado sobre o assunto. Demainbray em Edimburgo examinou os efeitos da eletricidade sobre as plantas e concluiu que o crescimento de duas murtas foi acelerado pela eletrificação. Essas murtas foram eletrificadas "durante todo o mês de outubro de 1746, e produziram ramos e flores mais cedo do que outros arbustos da mesma espécie não eletrificados". O abade Ménon, na França, experimentou os efeitos de uma aplicação contínua de eletricidade em homens e pássaros e descobriu que os sujeitos faziam experiências com perda de peso, aparentemente mostrando que a eletricidade acelerava as excreções. A eficácia dos choques elétricos em casos de paralisia foi testada no hospital do condado em Shrewsbury, Inglaterra , com um sucesso bastante insatisfatório.

Final do século 18

Benjamin Franklin .

Benjamin Franklin promoveu suas investigações sobre eletricidade e teorias por meio da famosa, embora extremamente perigosa, experiência de fazer seu filho empinar pipa em um céu ameaçado de tempestade. Uma chave presa ao cordão da pipa acendeu e carregou uma jarra de Leyden, estabelecendo assim a ligação entre o raio e a eletricidade. Após esses experimentos, ele inventou um pára-raios . É Franklin (com mais frequência) ou Ebenezer Kinnersley, da Filadélfia (com menos frequência), quem se considera ter estabelecido a convenção de eletricidade positiva e negativa.

As teorias sobre a natureza da eletricidade eram bastante vagas neste período, e as predominantes eram mais ou menos conflitantes. Franklin considerava que a eletricidade era um fluido imponderável que permeia tudo e que, em seu estado normal, se distribui uniformemente em todas as substâncias. Ele presumiu que as manifestações elétricas obtidas pela fricção do vidro eram devidas à produção de um excesso do fluido elétrico naquela substância e que as manifestações produzidas pela fricção da cera eram devidas a um déficit do fluido. Essa explicação foi contestada por defensores da teoria dos "dois fluidos", como Robert Symmer em 1759. Nessa teoria, as eletricidades vítreas e resinosas eram consideradas fluidos imponderáveis, cada fluido sendo composto de partículas mutuamente repelentes, enquanto as partículas das eletricidades opostas são mutuamente atraentes. Quando os dois fluidos se unem como resultado de sua atração um pelo outro, seu efeito sobre os objetos externos é neutralizado. O ato de esfregar um corpo decompõe os fluidos, um dos quais permanece em excesso no corpo e se manifesta como eletricidade vítrea ou resinosa.

Até a época do experimento histórico de pipa de Franklin, a identidade da eletricidade desenvolvida por fricção e por máquinas eletrostáticas ( eletricidade de fricção ) com raios não tinha sido geralmente estabelecida. O Dr. Wall, o Abade Nollet , Hauksbee , Stephen Gray e John Henry Winkler haviam de fato sugerido a semelhança entre os fenômenos de "eletricidade" e "relâmpago", Gray insinuando que eles diferiam apenas em grau. Foi Franklin, sem dúvida, o primeiro a propor testes para determinar a mesmice dos fenômenos. Em uma carta a Peter Comlinson de Londres, em 19 de outubro de 1752, Franklin, referindo-se à sua experiência com pipa, escreveu:

"Nesta chave, o frasco (jarra de Leyden) pode ser carregado; e do fogo elétrico assim obtido espíritos podem ser acesos, e todos os outros experimentos elétricos podem ser formados, os quais são geralmente feitos com a ajuda de um globo ou tubo de vidro atritado, e assim, a semelhança da matéria elétrica com a do relâmpago seja completamente demonstrada. "

Em 10 de maio de 1742, Thomas-François Dalibard , em Marley (perto de Paris), usando uma barra de ferro vertical de 12 metros de comprimento, obteve resultados correspondentes aos registrados por Franklin e um pouco anteriores à data do experimento de Franklin. A importante demonstração de Franklin da mesmice da eletricidade de fricção e do relâmpago sem dúvida acrescentou entusiasmo aos esforços de muitos experimentadores neste campo na última metade do século 18, para fazer avançar o progresso da ciência .

As observações de Franklin ajudaram cientistas posteriores como Michael Faraday , Luigi Galvani , Alessandro Volta , André-Marie Ampère e Georg Simon Ohm , cujo trabalho coletivo forneceu a base para a tecnologia elétrica moderna e para quem as unidades fundamentais de medição elétrica são nomeadas. Outros que avançariam no campo do conhecimento incluem William Watson , Georg Matthias Bose , Smeaton, Louis-Guillaume Le Monnier , Jacques de Romas , Jean Jallabert, Giovanni Battista Beccaria , Tiberius Cavallo , John Canton , Robert Symmer , Abade Nollet , John Henry Winkler , Benjamin Wilson , Ebenezer Kinnersley , Joseph Priestley , Franz Aepinus , Edward Hussey Délavai, Henry Cavendish e Charles-Augustin de Coulomb . As descrições de muitos dos experimentos e descobertas desses primeiros cientistas elétricos podem ser encontradas nas publicações científicas da época, nomeadamente Philosophical Transactions , Philosophical Magazine , Cambridge Mathematical Journal , Young's Natural Philosophy , Priestley's History of Electricity , Franklin's Experiments e Observations on eletricidade , de Cavalli Treatise on Electricity e de de la Rive Treatise on Electricity .

Henry Elles foi uma das primeiras pessoas a sugerir ligações entre eletricidade e magnetismo. Em 1757, ele afirmou que havia escrito para a Royal Society em 1755 sobre as ligações entre eletricidade e magnetismo, afirmando que "há algumas coisas no poder do magnetismo muito semelhantes às da eletricidade", mas ele "de forma alguma pensou eles o mesmo ". Em 1760, ele afirmou da mesma forma que em 1750 ele foi o primeiro "a pensar como o fogo elétrico pode ser a causa do trovão". Entre as pesquisas e experimentos elétricos mais importantes durante este período estavam os de Franz Aepinus , um notável estudioso alemão (1724-1802) e Henry Cavendish de Londres, Inglaterra.

Franz Aepinus é creditado como o primeiro a conceber a visão da relação recíproca de eletricidade e magnetismo. Em seu trabalho Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism , publicado em São Petersburgo em 1759, ele dá a seguinte ampliação da teoria de Franklin, que em algumas de suas características está de acordo com as visões atuais: "As partículas do fluido elétrico repelem cada uma outros, atraem e são atraídos pelas partículas de todos os corpos com uma força que diminui na proporção que a distância aumenta; o fluido elétrico existe nos poros dos corpos; ele se move desobstruído através de (condutores) não elétricos, mas se move com dificuldade em isoladores; as manifestações da eletricidade são devidas à distribuição desigual do fluido em um corpo, ou à aproximação de corpos desigualmente carregados com o fluido. " Aepinus formulou uma teoria correspondente do magnetismo, exceto que, no caso dos fenômenos magnéticos, os fluidos agiam apenas sobre as partículas de ferro. Ele também fez vários experimentos elétricos aparentemente mostrando que, para manifestar efeitos elétricos, a turmalina deve ser aquecida entre 37,5 ° C e 100 ° C. Na verdade, a turmalina permanece sem eletricidade quando sua temperatura é uniforme, mas manifesta propriedades elétricas quando sua temperatura está aumentando ou diminuindo. Os cristais que manifestam propriedades elétricas dessa forma são denominados piroelétricos ; junto com a turmalina, incluem sulfato de quinino e quartzo.

Henry Cavendish concebeu independentemente uma teoria da eletricidade quase semelhante à de Aepinus. Em 1784, ele foi talvez o primeiro a utilizar uma faísca elétrica para produzir uma explosão de hidrogênio e oxigênio nas proporções adequadas que criariam água pura. Cavendish também descobriu a capacidade indutiva dos dielétricos (isoladores) e, já em 1778, mediu a capacidade indutiva específica para cera de abelha e outras substâncias em comparação com um condensador de ar.

Desenho do equilíbrio de torção de Coulomb. Da ilustração 13 de suas memórias de 1785.

Por volta de 1784 CA Coulomb concebeu o equilíbrio de torção , descobrindo o que hoje é conhecido como a lei de Coulomb : a força exercida entre dois pequenos corpos eletrificados varia inversamente com o quadrado da distância, não como Aepinus em sua teoria da eletricidade havia assumido, apenas inversamente como o distância. De acordo com a teoria avançada por Cavendish, "as partículas se atraem e são atraídas inversamente como um pouco menos de potência à distância do que o cubo." Uma grande parte do domínio da eletricidade tornou-se virtualmente anexada pela descoberta de Coulomb da lei dos quadrados inversos.

Por meio das experiências de William Watson e outros provando que a eletricidade podia ser transmitida à distância, a ideia de fazer uso prático desse fenômeno começou, por volta de 1753, a envolver a mente de pessoas curiosas. Para tanto, foram feitas sugestões quanto ao emprego da eletricidade na transmissão de inteligência. O primeiro dos métodos inventados para esse fim foi provavelmente o de Georges Lesage em 1774. Esse método consistia em 24 fios, isolados uns dos outros e cada um tendo uma bola de medula conectada à sua extremidade distante. Cada fio representava uma letra do alfabeto. Para enviar uma mensagem, um fio desejado foi carregado momentaneamente com eletricidade de uma máquina elétrica, após o que a bola de medula conectada a esse fio voaria. Outros métodos de telégrafo nos quais a eletricidade friccional era empregada também foram experimentados, alguns dos quais são descritos na história do telégrafo .

A era da eletricidade galvânica ou voltaica representou uma ruptura revolucionária com o foco histórico na eletricidade de fricção. Alessandro Volta descobriu que as reações químicas podem ser usadas para criar ânodos com carga positiva e cátodos com carga negativa . Quando um condutor era conectado entre eles, a diferença no potencial elétrico (também conhecido como voltagem) conduzia uma corrente entre eles através do condutor. A diferença de potencial entre dois pontos é medida em unidades de volts em reconhecimento ao trabalho de Volta.

A primeira menção à eletricidade voltaica, embora não seja reconhecida como tal na época, foi provavelmente feita por Johann Georg Sulzer em 1767, que, ao colocar um pequeno disco de zinco sob a língua e um pequeno disco de cobre sobre ele, observou um peculiar gosto quando os respectivos metais tocam em suas bordas. Sulzer presumiu que, quando os metais se juntavam, eles vibravam, agindo sobre os nervos da língua para produzir os efeitos observados. Em 1790, o Prof. Luigi Alyisio Galvani de Bolonha, enquanto conduzia experimentos sobre " eletricidade animal ", notou o estremecimento das pernas de uma rã na presença de uma máquina elétrica. Ele observou que o músculo de uma rã, suspenso em uma balaustrada de ferro por um gancho de cobre que passava por sua coluna dorsal, sofria convulsões vivas sem qualquer causa estranha, estando a máquina elétrica neste momento ausente.

Para explicar esse fenômeno, Galvani presumiu que eletricidade de tipos opostos existia nos nervos e músculos da rã, os músculos e nervos que constituem os revestimentos carregados de uma jarra de Leyden. Galvani publicou os resultados de suas descobertas, juntamente com suas hipóteses, que chamaram a atenção dos físicos da época. O mais proeminente deles foi Volta, professor de física em Pavia , que afirmou que os resultados observados por Galvani eram o resultado de dois metais, cobre e ferro, atuando como eletromotores , e que os músculos da rã desempenhavam o papel de um condutor, completando o circuito. Isso precipitou uma longa discussão entre os adeptos das visões conflitantes. Um grupo concordou com Volta que a corrente elétrica era o resultado de uma força eletromotriz de contato nos dois metais; o outro adotou uma modificação da visão de Galvani e afirmou que a corrente era resultado de uma afinidade química entre os metais e os ácidos da pilha. Michael Faraday escreveu no prefácio de suas Pesquisas Experimentais , relativo à questão de se o contato metálico é produtivo de uma parte da eletricidade da pilha voltaica: "Não vejo razão para alterar a opinião que dei; ... mas o ponto em si é de tamanha importância que pretendo, na primeira oportunidade, renovar a investigação e, se puder, tornar as provas, tanto de um lado quanto de outro, inegáveis ​​para todos ”.

Mesmo o próprio Faraday, no entanto, não resolveu a controvérsia e, embora as opiniões dos defensores de ambos os lados da questão tenham sofrido modificações, conforme as investigações e descobertas subsequentes exigiram, até 1918 a diversidade de opiniões sobre esses pontos continuou a surgir. Volta fez numerosos experimentos em apoio à sua teoria e, por fim, desenvolveu a pilha ou bateria, que foi a precursora de todas as baterias químicas subsequentes e possuía o mérito distinto de ser o primeiro meio pelo qual uma corrente contínua prolongada de eletricidade era obtida. Volta comunicou uma descrição de sua pilha à Royal Society de Londres e logo depois disso Nicholson e Cavendish (1780) produziram a decomposição da água por meio da corrente elétrica, usando a pilha de Volta como fonte de força eletromotriz.

século 19

Início do século 19

Alessandro Volta .

Em 1800, Alessandro Volta construiu o primeiro dispositivo para produzir uma grande corrente elétrica, mais tarde conhecida como bateria elétrica . Napoleão , informado de suas obras, o convocou em 1801 para uma execução de comando de seus experimentos. Ele recebeu muitas medalhas e condecorações, incluindo a Légion d'honneur .

Davy em 1806, empregando uma pilha voltaica de aproximadamente 250 células, ou pares, decompôs o potássio e a soda, mostrando que essas substâncias eram respectivamente os óxidos de potássio e sódio, metais até então desconhecidos. Esses experimentos foram o início da eletroquímica , a investigação da qual Faraday assumiu, e a respeito da qual em 1833 ele anunciou sua importante lei dos equivalentes eletroquímicos, a saber: " A mesma quantidade de eletricidade - isto é, a mesma corrente elétrica - se decompõe quimicamente quantidades equivalentes de todos os corpos que atravessa; portanto, os pesos dos elementos separados nesses eletrólitos são uns para os outros como seus equivalentes químicos . " Empregando uma bateria de 2.000 elementos de uma pilha voltaica, Humphry Davy em 1809 deu a primeira demonstração pública da luz de arco elétrico , usando para esse propósito carvão vegetal encerrado no vácuo.

Algo importante de se notar, foi só muitos anos após a descoberta da pilha voltaica que a semelhança da eletricidade animal e de fricção com a eletricidade voltaica foi claramente reconhecida e demonstrada. Assim, em janeiro de 1833, encontramos Faraday escrevendo em um artigo sobre a eletricidade do raio elétrico . " Após um exame das experiências de Walsh, Ingenhousz , Henry Cavendish , Sir H. Davy e Dr. Davy, não tenho dúvidas quanto à identidade da eletricidade do torpedo com a eletricidade comum (friccional) e voltaica; e presumo que tão pouco permanecerá na mente dos outros a ponto de justificar minha abstenção de entrar longamente na prova filosófica dessa identidade. As dúvidas levantadas por Sir Humphry Davy foram removidas por seu irmão, Dr. Davy; os resultados sendo este último o inverso daqueles do primeiro ... A conclusão geral que deve, penso eu, ser tirada desta coleção de fatos (uma tabela mostrando a semelhança, de propriedades das eletricidades diversamente denominadas) é que a eletricidade , qualquer que seja sua fonte, é idêntica em sua natureza . "

É apropriado afirmar, entretanto, que antes da época de Faraday, a similaridade da eletricidade derivada de fontes diferentes era mais do que suspeitada. Assim, William Hyde Wollaston escreveu em 1801: " Esta semelhança nos meios pelos quais a eletricidade e o galvanismo (eletricidade voltaica) parecem ser excitados, além da semelhança que foi traçada entre seus efeitos, mostra que ambos são essencialmente os mesmos e confirmar uma opinião já avançada por outros, de que todas as diferenças detectáveis ​​nos efeitos destes últimos podem ser devidos ao fato de serem menos intensos, mas produzidos em quantidade muito maior ”. No mesmo artigo, Wollaston descreve certos experimentos nos quais ele usa um fio muito fino em uma solução de sulfato de cobre, através do qual ele passou correntes elétricas de uma máquina elétrica. Isso é interessante em conexão com o uso posterior de fios finos quase similarmente dispostos em receptores eletrolíticos sem fio, ou radiotelegrafia.

Hans Christian Ørsted .

Na primeira metade do século 19, muitos acréscimos muito importantes foram feitos ao conhecimento mundial sobre eletricidade e magnetismo. Por exemplo, em 1820, Hans Christian Ørsted, de Copenhagen, descobriu o efeito de deflexão de uma corrente elétrica atravessando um fio em uma agulha magnética suspensa.

Esta descoberta deu uma pista para a subsequente relação íntima comprovada entre eletricidade e magnetismo, que foi prontamente seguida por Ampère que alguns meses depois, em setembro de 1820, apresentou os primeiros elementos de sua nova teoria, que ele desenvolveu nos anos seguintes culminando com o publicação em seu 1827 " Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l'experience " (Memórias sobre a teoria matemática dos fenômenos eletrodinâmicos, exclusivamente deduzido da experiência) anunciando sua célebre teoria da eletrodinâmica, relativa à força que uma corrente exerce sobre o outro, por seus efeitos eletromagnéticos, a saber

1. Duas porções paralelas de um circuito se atraem se as correntes nelas estiverem fluindo na mesma direção e se repelem se as correntes fluírem na direção oposta.
2. Duas porções de circuitos que se cruzam obliquamente se atraem se ambas as correntes fluem em direção ou a partir do ponto de cruzamento, e se repelem se uma flui para e a outra a partir desse ponto.
3. Quando um elemento de um circuito exerce uma força sobre outro elemento de um circuito, essa força sempre tende a impelir o segundo elemento em uma direção perpendicular à sua própria direção.

André-Marie Ampère .

Ampère trouxe uma infinidade de fenômenos à teoria por meio de suas investigações das forças mecânicas entre os condutores que suportam correntes e ímãs. James Clerk Maxwell , em seu " A Treatise on Electricity and Magnetism ", chamou Ampère "o Newton da eletricidade" ..

O físico alemão Seebeck descobriu em 1821 que, quando o calor é aplicado à junção de dois metais que foram soldados, uma corrente elétrica é formada. Isso é denominado termoeletricidade . O dispositivo de Seebeck consiste em uma tira de cobre dobrada em cada extremidade e soldada a uma placa de bismuto. Uma agulha magnética é colocada paralela à tira de cobre. Quando o calor de uma lâmpada é aplicado à junção do cobre e do bismuto, uma corrente elétrica é acionada e desvia a agulha.

Por volta dessa época, Siméon Denis Poisson atacou o difícil problema da magnetização induzida, e seus resultados, embora expressos de forma diferente, ainda são a teoria, como uma primeira aproximação mais importante. Foi na aplicação da matemática à física que seus serviços à ciência foram prestados. Talvez o mais original, e certamente o mais permanente em sua influência, foram suas memórias sobre a teoria da eletricidade e do magnetismo, que virtualmente criaram um novo ramo da física matemática .

George Green escreveu Um ensaio sobre a aplicação da análise matemática às teorias da eletricidade e do magnetismo em 1828. O ensaio introduziu vários conceitos importantes, entre eles um teorema semelhante ao teorema de Green moderno, a ideia de funções potenciais conforme usado atualmente na física, e o conceito do que hoje é chamado de funções de Green . George Green foi a primeira pessoa a criar uma teoria matemática de eletricidade e magnetismo e sua teoria formou a base para o trabalho de outros cientistas, como James Clerk Maxwell, William Thomson e outros.

Peltier em 1834 descobriu um efeito oposto à termoeletricidade, a saber, que quando uma corrente é passada por um par de metais diferentes, a temperatura é diminuída ou aumentada na junção dos metais, dependendo da direção da corrente. Isso é denominado efeito Peltier . As variações de temperatura são proporcionais à força da corrente e não ao quadrado da força da corrente como no caso do calor devido à resistência normal de um condutor. Essa segunda lei é a lei I ² R , descoberta experimentalmente em 1841 pelo físico inglês Joule . Em outras palavras, esta lei importante é que o calor gerado em qualquer parte de um circuito elétrico é diretamente proporcional ao produto da resistência R dessa parte do circuito e ao quadrado da intensidade da corrente I que flui no circuito.

Em 1822, Johann Schweigger concebeu o primeiro galvanômetro . Este instrumento foi posteriormente muito melhorado por Wilhelm Weber (1833). Em 1825, William Sturgeon de Woolwich, Inglaterra, inventou o eletroímã em ferradura e barra reta, recebendo por isso a medalha de prata da Society of Arts. Em 1837, Carl Friedrich Gauss e Weber (ambos notáveis ​​trabalhadores desse período) inventaram em conjunto um galvanômetro refletivo para fins telegráficos. Este foi o precursor do refletor Thomson e de outros galvanômetros extremamente sensíveis, uma vez usados ​​em sinalização de submarinos e ainda amplamente empregados em medições elétricas. Arago, em 1824, fez a importante descoberta de que quando um disco de cobre é girado em seu próprio plano e se uma agulha magnética for livremente suspensa em um pivô sobre o disco, a agulha girará com o disco. Se, por outro lado, a agulha estiver fixada, ela tenderá a retardar o movimento do disco. Esse efeito foi denominado rotações de Arago .

Georg Simon Ohm .

Tentativas inúteis foram feitas por Charles Babbage , Peter Barlow , John Herschel e outros para explicar este fenômeno. A verdadeira explicação ficou reservada a Faraday, a saber, que as correntes elétricas são induzidas no disco de cobre pelo corte das linhas de força magnéticas da agulha, cujas correntes, por sua vez, reagem na agulha. Georg Simon Ohm fez seu trabalho sobre resistência nos anos 1825 e 1826 e publicou seus resultados em 1827 como o livro Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet . Ele tirou inspiração considerável do trabalho de Fourier sobre condução de calor na explicação teórica de seu trabalho. Para experimentos, ele inicialmente usou pilhas voltaicas , mas depois usou um termopar, pois isso fornecia uma fonte de tensão mais estável em termos de resistência interna e diferença de potencial constante. Ele usou um galvanômetro para medir a corrente e sabia que a tensão entre os terminais do termopar era proporcional à temperatura da junção. Ele então adicionou fios de teste de vários comprimentos, diâmetros e materiais para completar o circuito. Ele descobriu que seus dados podiam ser modelados por meio de uma equação simples com variável composta pela leitura de um galvanômetro, o comprimento do condutor de teste, a temperatura da junção do termopar e uma constante de toda a configuração. A partir disso, Ohm determinou sua lei da proporcionalidade e publicou seus resultados. Em 1827, ele anunciou a já famosa lei que leva seu nome , ou seja:

Ohm pôs em ordem uma série de fatos intrigantes conectando a força eletromotriz e a corrente elétrica nos condutores, que todos os eletricistas anteriores só tinham conseguido unir qualitativamente sob algumas afirmações vagas. Ohm descobriu que os resultados poderiam ser resumidos em uma lei tão simples e pela descoberta de Ohm uma grande parte do domínio da eletricidade foi anexada à teoria.

Faraday e Henry

Joseph Henry .

A descoberta da indução eletromagnética foi feita quase simultaneamente, embora de forma independente, por Michael Faraday , que foi o primeiro a fazer a descoberta em 1831, e Joseph Henry em 1832. A descoberta de Henry da auto-indução e seu trabalho em condutores espirais usando uma bobina de cobre foram tornadas públicas em 1835, pouco antes das de Faraday.

Em 1831, começaram as pesquisas que marcaram época de Michael Faraday , o famoso aluno e sucessor de Humphry Davy à frente do Royal Institution de Londres, relacionadas à indução elétrica e eletromagnética. As notáveis ​​pesquisas de Faraday, o príncipe dos experimentalistas , sobre eletrostática e eletrodinâmica e indução de correntes. Eles demoraram um pouco para serem trazidos do estado experimental bruto para um sistema compacto, expressando a essência real. Faraday não era um matemático competente, mas, se o fosse, teria sido muito auxiliado em suas pesquisas, teria se poupado de muitas especulações inúteis e teria antecipado trabalhos muito posteriores. Ele, por exemplo, conhecendo a teoria de Ampere, por seus próprios resultados teria sido prontamente levado à teoria de Neumann e ao trabalho conectado de Helmholtz e Thomson. Os estudos e pesquisas de Faraday se estenderam de 1831 a 1855 e uma descrição detalhada de seus experimentos, deduções e especulações pode ser encontrada em seus documentos compilados, intitulados Experimental Researches in Electricity. Faraday era químico de profissão. Ele não era nem um pouco um matemático no sentido comum - na verdade, é uma questão se em todos os seus escritos existe uma única fórmula matemática.

Michael Faraday .

O experimento que levou Faraday à descoberta da indução eletromagnética foi feito da seguinte forma: ele construiu o que agora é denominado uma bobina de indução , cujos fios primários e secundários foram enrolados em uma bobina de madeira, lado a lado, e isolados de um outro. No circuito do fio primário ele colocou uma bateria de aproximadamente 100 células. No fio secundário ele inseriu um galvanômetro. Ao fazer seu primeiro teste não observou nenhum resultado, o galvanômetro permaneceu quiescente, mas ao aumentar o comprimento dos fios percebeu uma deflexão do galvanômetro no fio secundário quando o circuito do fio primário foi feito e quebrado. Este foi o primeiro caso observado do desenvolvimento da força eletromotriz por indução eletromagnética.

Ele também descobriu que as correntes induzidas são estabelecidas em um segundo circuito fechado quando a intensidade da corrente é variada no primeiro fio, e que a direção da corrente no circuito secundário é oposta à do primeiro circuito. Além disso, uma corrente é induzida em um circuito secundário quando outro circuito transportando uma corrente é movido para e do primeiro circuito, e que a aproximação ou retirada de um ímã para ou de um circuito fechado induz correntes momentâneas no último. Em suma, no espaço de alguns meses, Faraday descobriu por experiência praticamente todas as leis e fatos agora conhecidos sobre indução eletromagnética e indução magnetoelétrica. Dessas descobertas, quase sem exceção, depende o funcionamento do telefone, da máquina dínamo e, incidentalmente à máquina elétrica dínamo, praticamente todas as gigantescas indústrias elétricas do mundo, incluindo iluminação elétrica, tração elétrica, operação de motores elétricos para fins de energia e eletrogalvanização , eletrotipagem , etc.

Em suas investigações sobre a maneira peculiar como as limalhas de ferro se organizam em um papelão ou vidro próximo aos pólos de um ímã, Faraday concebeu a ideia de " linhas de força " magnéticas estendendo-se de pólo a pólo do ímã e ao longo das quais o limalhas tendem a se colocar. Na descoberta de que efeitos magnéticos acompanham a passagem de uma corrente elétrica em um fio, também foi assumido que linhas magnéticas de força semelhantes giravam em torno do fio. Por conveniência e para levar em conta a eletricidade induzida, foi então assumido que quando essas linhas de força são " cortadas " por um fio ao passar por elas ou quando as linhas de força ao subir e descer cortam o fio, uma corrente de eletricidade é desenvolvida, ou, para ser mais exato, uma força eletromotriz é desenvolvida no fio que estabelece uma corrente em um circuito fechado. Faraday apresentou o que foi denominado teoria molecular da eletricidade, que pressupõe que a eletricidade é a manifestação de uma condição peculiar da molécula do corpo atritado ou do éter que envolve o corpo. Faraday também, por experiência, descobriu o paramagnetismo e o diamagnetismo , a saber, que todos os sólidos e líquidos são atraídos ou repelidos por um ímã. Por exemplo, ferro, níquel, cobalto, manganês, cromo, etc., são paramagnéticos (atraídos pelo magnetismo), enquanto outras substâncias, como bismuto, fósforo, antimônio, zinco, etc., são repelidas pelo magnetismo ou são diamagnéticas .

Brugans de Leyden em 1778 e Le Baillif e Becquerel em 1827 já haviam descoberto o diamagnetismo no caso do bismuto e do antimônio. Faraday também redescobriu a capacidade indutiva específica em 1837, os resultados dos experimentos de Cavendish não tinham sido publicados naquela época. Ele também previu o retardo de sinais em cabos submarinos longos devido ao efeito indutivo do isolamento do cabo, ou seja, a capacidade estática do cabo. Em 1816, o pioneiro do telégrafo, Francis Ronalds , também observou retardo de sinal em suas linhas telegráficas enterradas, atribuindo-o à indução.

Os 25 anos imediatamente após as descobertas de Faraday da indução eletromagnética foram frutíferos na promulgação de leis e fatos relativos às correntes induzidas e ao magnetismo. Em 1834, Heinrich Lenz e Moritz von Jacobi demonstraram independentemente o fato agora familiar de que as correntes induzidas em uma bobina são proporcionais ao número de voltas na bobina. Lenz também anunciou na época sua importante lei de que, em todos os casos de indução eletromagnética, as correntes induzidas têm uma direção que sua reação tende a interromper o movimento que as produz, lei talvez dedutível da explicação de Faraday sobre as rotações de Arago.

A bobina de indução foi projetada pela primeira vez por Nicholas Callan em 1836. Em 1845 Joseph Henry , o físico americano, publicou um relato de seus valiosos e interessantes experimentos com correntes induzidas de alta ordem, mostrando que as correntes podiam ser induzidas a partir do secundário de uma indução bobina para o primário de uma segunda bobina, daí para seu fio secundário e assim por diante para o primário de uma terceira bobina, etc. Heinrich Daniel Ruhmkorff desenvolveu ainda mais a bobina de indução, a bobina Ruhmkorff foi patenteada em 1851, e ele utilizou enrolamentos longos de fio de cobre para obter uma faísca de aproximadamente 2 polegadas (50 mm) de comprimento. Em 1857, após examinar uma versão bastante aprimorada feita por um inventor americano, Edward Samuel Ritchie , Ruhmkorff aprimorou seu projeto (assim como outros engenheiros), usando isolamento de vidro e outras inovações para permitir a produção de faíscas com mais de 300 milímetros (12 pol.) grande.

Meados do século 19

A teoria eletromagnética da luz acrescenta à velha teoria ondulatória uma enorme província de transcendente interesse e importância; ela exige de nós não apenas uma explicação de todos os fenômenos da luz e calor radiante por vibrações transversais de um chamado éter sólido elástico, mas também a inclusão de correntes elétricas, do magnetismo permanente de aço e magnetita , da força magnética , e de força eletrostática , em uma dinâmica etérea abrangente . "

-  Lord Kelvin

Até meados do século 19, na verdade até cerca de 1870, a ciência elétrica era, pode-se dizer, um livro lacrado para a maioria dos eletricistas. Antes dessa época, vários manuais foram publicados sobre eletricidade e magnetismo, notadamente o exaustivo Tratado sobre Eletricidade de Auguste de La Rive , em 1851 (francês) e 1853 (inglês); Agosto Beer 's Einleitung em Elektrostatik morrer, morra Lehre vom Magnetismus und die Elektrodynamik , Wiedemann 's' Galvanismus ', e Reiss' ' Reibungsal-elektricitat .' Mas esses trabalhos consistiam principalmente em detalhes de experimentos com eletricidade e magnetismo, e muito pouco com as leis e fatos desses fenômenos. Henry d'Abria publicou os resultados de algumas pesquisas sobre as leis das correntes induzidas, mas devido à sua complexidade da investigação não produziu resultados muito notáveis. Por volta de meados do século 19, o trabalho de Fleeming Jenkin sobre ' Eletricidade e magnetismo ' e ' Tratado sobre eletricidade e magnetismo ' de Clerk Maxwell foram publicados.

Esses livros foram desvios do caminho tradicional. Como Jenkin afirma no prefácio de seu trabalho, a ciência das escolas era tão diferente daquela do eletricista prático que era quase impossível dar aos alunos livros didáticos suficientes, ou mesmo aproximadamente suficientes. Ele disse que um estudante pode ter dominado o grande e valioso tratado de de la Rive e, ainda assim, sentir-se como se estivesse em um país desconhecido e ouvindo uma língua desconhecida na companhia de homens práticos. Como outro escritor disse, com a chegada dos livros de Jenkin e Maxwell todos os impedimentos no caminho dos estudantes de eletricidade foram removidos, " o significado completo da lei de Ohm torna-se claro; força eletromotriz, diferença de potencial, resistência, corrente, capacidade, linhas de força, magnetização e afinidade química eram mensuráveis ​​e podiam ser fundamentadas, e cálculos podiam ser feitos sobre elas com tanta certeza quanto cálculos em dinâmica ".

Por volta de 1850, Kirchhoff publicou suas leis relacionadas a circuitos ramificados ou divididos. Ele também mostrou matematicamente que, de acordo com a teoria eletrodinâmica então prevalecente, a eletricidade seria propagada ao longo de um fio perfeitamente condutor com a velocidade da luz. Helmholtz investigou matematicamente os efeitos da indução sobre a intensidade de uma corrente e deduziu a partir das equações, que a experiência confirmou, mostrando, entre outros pontos importantes, o efeito retardador da autoindução sob certas condições do circuito.

Sir William Thomson .

Em 1853, Sir William Thomson (mais tarde Lord Kelvin ) previu como resultado de cálculos matemáticos a natureza oscilatória da descarga elétrica de um circuito condensador. A Henry, no entanto, pertence o crédito de discernir, como resultado de seus experimentos em 1842, a natureza oscilatória da descarga do jarro de Leyden . Ele escreveu: Os fenômenos exigem que admitamos a existência de uma descarga principal em uma direção, e então várias ações reflexas para frente e para trás, cada uma mais fraca que a anterior, até que o equilíbrio seja obtido . Essas oscilações foram posteriormente observadas por BW Feddersen (1857) que, usando um espelho côncavo giratório, projetou uma imagem da faísca elétrica sobre uma placa sensível, obtendo assim uma fotografia da faísca que indicava claramente a natureza alternada da descarga. Sir William Thomson também foi o descobridor da convecção elétrica de calor (o efeito "Thomson" ). Ele projetou para medições elétricas de precisão seus eletrômetros de quadrante e absolutos. O galvanômetro refletivo e o gravador de sifão , aplicados à sinalização de cabos submarinos, também são devidos a ele.

Por volta de 1876, o físico americano Henry Augustus Rowland, de Baltimore, demonstrou o importante fato de que uma carga estática transportada produz os mesmos efeitos magnéticos que uma corrente elétrica. A importância dessa descoberta consiste em que ela pode fornecer uma teoria plausível do magnetismo, a saber, que o magnetismo pode ser o resultado do movimento direcionado de fileiras de moléculas que transportam cargas estáticas.

Após a descoberta de Faraday de que correntes elétricas poderiam ser desenvolvidas em um fio, fazendo-o cortar as linhas de força de um ímã, era de se esperar que fossem feitas tentativas de construir máquinas para aproveitar esse fato no desenvolvimento de correntes voltaicas. . A primeira máquina desse tipo foi devida a Hippolyte Pixii , 1832. Consistia em duas bobinas de arame de ferro, em frente às quais os pólos de um ímã em forma de ferradura giravam. Como esta produzia nas bobinas do fio uma corrente alternada , Pixii dispôs um dispositivo de comutação (comutador) que convertia a corrente alternada das bobinas ou armadura em corrente contínua no circuito externo. Esta máquina foi seguida por formas aprimoradas de máquinas magneto-elétricas devido a Edward Samuel Ritchie , Joseph Saxton , Edward M. Clarke 1834, Emil Stohrer 1843, Floris Nollet 1849, Shepperd 1856, Van Maldern , Werner von Siemens , Henry Wilde e outros.

Um avanço notável na arte da construção de dínamo foi feito por Samuel Alfred Varley em 1866 e por Siemens e Charles Wheatstone , que descobriram independentemente que quando uma bobina de fio, ou armadura, da máquina de dínamo é girada entre os pólos (ou no "campo") de um eletroímã, uma corrente fraca é configurada na bobina devido ao magnetismo residual no ferro do eletroímã, e que se o circuito da armadura estiver conectado com o circuito do eletroímã, a corrente fraca desenvolvida em a armadura aumenta o magnetismo no campo. Isso aumenta ainda mais as linhas de força magnéticas nas quais a armadura gira, o que aumenta ainda mais a corrente no eletroímã, produzindo assim um aumento correspondente no magnetismo de campo, e assim por diante, até a força eletromotriz máxima que a máquina é capaz de desenvolver é atingido. Por meio deste princípio, a máquina dínamo desenvolve seu próprio campo magnético , aumentando assim muito sua eficiência e operação econômica. De forma alguma, entretanto, a máquina elétrica dínamo foi aperfeiçoada na época mencionada.

Em 1860, uma importante melhoria foi feita pelo Dr. Antonio Pacinotti de Pisa, que concebeu a primeira máquina elétrica com uma armadura de anel. Esta máquina foi usada pela primeira vez como um motor elétrico, mas depois como um gerador de eletricidade. A descoberta do princípio da reversibilidade da máquina elétrica dínamo (atribuído de várias maneiras a Walenn 1860; Pacinotti 1864; Fontaine , Gramme 1873; Deprez 1881 e outros), pelo qual ela pode ser usada como motor elétrico ou gerador de eletricidade foi considerada uma das maiores descobertas do século XIX.

Siemens Hefner-Alteneck Dynamomaschine

Em 1872, a armadura de bateria foi criada por Hefner-Alteneck . Esta máquina em uma forma modificada foi posteriormente conhecida como o dínamo Siemens. Essas máquinas foram atualmente seguidas por Schuckert , Gulcher , Fein, Brush , Hochhausen , Edison e as máquinas dínamo de vários outros inventores. Nos primeiros dias da construção de máquinas de dínamo, as máquinas eram dispostas principalmente como geradores de corrente contínua, e talvez a aplicação mais importante de tais máquinas naquela época fosse no eletrogalvanização, para o qual eram empregadas máquinas de baixa tensão e grande intensidade de corrente.

A partir de cerca de 1887, geradores de corrente alternada entraram em operação extensiva e o desenvolvimento comercial do transformador, por meio do qual correntes de baixa tensão e alta intensidade são transformadas em correntes de alta tensão e baixa intensidade de corrente, e vice-versa, com o tempo revolucionou o transmissão de energia elétrica a longas distâncias. Da mesma forma, a introdução do conversor rotativo (em conexão com o transformador "abaixador"), que converte correntes alternadas em correntes diretas (e vice-versa), gerou grandes economias na operação de sistemas de energia elétrica.

Antes da introdução das máquinas elétricas dínamo, voltaicas ou primárias, as baterias eram amplamente utilizadas para eletrogalvanização e telegrafia. Existem dois tipos distintos de células voltaicas, a saber, o tipo "aberto" e o "fechado" ou "constante". O tipo aberto em resumo é aquele que operado em circuito fechado torna-se, após um curto período de tempo, polarizado; ou seja, gases são liberados na célula que se depositam na placa negativa e estabelecem uma resistência que reduz a intensidade da corrente. Após um breve intervalo de circuito aberto, esses gases são eliminados ou absorvidos e a célula está novamente pronta para operação. Células de circuito fechado são aquelas em que os gases nas células são absorvidos tão rapidamente quanto liberados e, portanto, a saída da célula é praticamente uniforme. As células de Leclanché e Daniell , respectivamente, são exemplos familiares do tipo "aberto" e "fechado" de célula voltaica. Baterias do tipo Daniell ou "gravidade" eram empregadas quase geralmente nos Estados Unidos e Canadá como fonte de força eletromotriz na telegrafia antes que a máquina de dínamo se tornasse disponível.

No final do século 19, o termo éter luminífero , significando éter portador de luz , era um meio conjecturado para a propagação da luz. A palavra éter deriva do latim do grego αιθήρ, de uma raiz que significa acender, queimar ou brilhar. Significa a substância que se pensava nos tempos antigos para preencher as regiões superiores do espaço, além das nuvens.

Maxwell

James Clerk Maxwell .

Em 1864, James Clerk Maxwell, de Edimburgo, anunciou sua teoria eletromagnética da luz, que foi talvez o maior passo no conhecimento mundial da eletricidade. Maxwell estudou e comentou sobre o campo da eletricidade e do magnetismo já em 1855/6, quando as linhas de força de On Faraday foram lidas para a Cambridge Philosophical Society . O artigo apresentou um modelo simplificado do trabalho de Faraday, e como os dois fenômenos estavam relacionados. Ele reduziu todo o conhecimento atual em um conjunto vinculado de equações diferenciais com 20 equações em 20 variáveis. Este trabalho foi publicado posteriormente como On Physical Lines of Force em março de 1861. A fim de determinar a força que está agindo em qualquer parte da máquina, devemos encontrar seu momentum e, em seguida, calcular a taxa em que esse momentum está sendo alterado. Essa taxa de mudança nos dará a força. O método de cálculo que é necessário empregar foi primeiro dado por Lagrange , e depois desenvolvido, com algumas modificações, pelas equações de Hamilton . Geralmente é referido como o princípio de Hamilton ; quando as equações na forma original são usadas, elas são conhecidas como equações de Lagrange . Agora Maxwell logicamente mostrou como esses métodos de cálculo poderiam ser aplicados ao campo eletromagnético. A energia de um sistema dinâmico é parcialmente cinética , parcialmente potencial . Maxwell supõe que a energia magnética do campo é a energia cinética , o potencial de energia elétrica .

Por volta de 1862, enquanto lecionava no King's College, Maxwell calculou que a velocidade de propagação de um campo eletromagnético é aproximadamente igual à velocidade da luz. Ele considerou isso mais do que apenas uma coincidência e comentou: " Dificilmente podemos evitar a conclusão de que a luz consiste nas ondulações transversais do mesmo meio que é a causa dos fenômenos elétricos e magnéticos. "

Trabalhando mais no problema, Maxwell mostrou que as equações prevêem a existência de ondas de campos elétricos e magnéticos oscilantes que viajam através do espaço vazio a uma velocidade que poderia ser prevista a partir de experimentos elétricos simples; usando os dados disponíveis na época, Maxwell obteve uma velocidade de 310.740.000 m / s . Em seu artigo de 1864, Uma Teoria Dinâmica do Campo Eletromagnético , Maxwell escreveu: A concordância dos resultados parece mostrar que a luz e o magnetismo são afetos da mesma substância e que a luz é uma perturbação eletromagnética propagada pelo campo de acordo com as leis eletromagnéticas .

Como já observamos aqui, Faraday, e antes dele, Ampère e outros, tinham a sensação de que o éter luminífero do espaço também era o meio para a ação elétrica. Era sabido por cálculos e experimentos que a velocidade da eletricidade era de aproximadamente 186.000 milhas por segundo; isto é, igual à velocidade da luz, o que por si só sugere a ideia de uma relação entre -eletricidade e "luz". Vários dos primeiros filósofos ou matemáticos, como Maxwell os chama, do século 19, sustentavam a visão de que os fenômenos eletromagnéticos eram explicáveis ​​pela ação à distância. Maxwell, seguindo Faraday, afirmou que a origem dos fenômenos estava no médium. Os métodos dos matemáticos para chegar a seus resultados eram sintéticos, enquanto os métodos de Faraday eram analíticos. Faraday em sua mente viu linhas de força cruzando todo o espaço onde os matemáticos viram centros de força se atraindo à distância. Faraday buscou a sede dos fenômenos nas ações reais que aconteciam no médium; eles estavam satisfeitos por terem encontrado isso em um poder de ação à distância sobre os fluidos elétricos.

Ambos os métodos, como Maxwell aponta, tiveram sucesso em explicar a propagação da luz como um fenômeno eletromagnético enquanto, ao mesmo tempo, as concepções fundamentais de quais são as quantidades em questão, radicalmente diferiam. Os matemáticos presumiram que os isoladores eram barreiras às correntes elétricas; que, por exemplo, em uma jarra de Leyden ou condensador elétrico a eletricidade foi acumulada em uma placa e que por alguma ação oculta a distância eletricidade de um tipo oposto foi atraída para a outra placa.

Maxwell, olhando além de Faraday, raciocinou que se a luz é um fenômeno eletromagnético e é transmissível através de dielétricos como o vidro, o fenômeno deve ser da natureza de correntes eletromagnéticas nos dielétricos. Ele, portanto, argumentou que no carregamento de um condensador, por exemplo, a ação não parou no isolador, mas que algumas correntes de "deslocamento" são criadas no meio isolante, correntes essas que continuam até que a força de resistência do meio seja igual àquela da força de carga. Em um circuito condutor fechado, uma corrente elétrica também é um deslocamento de eletricidade.

O condutor oferece uma certa resistência, semelhante ao atrito, ao deslocamento da eletricidade, e o calor é desenvolvido no condutor, proporcional ao quadrado da corrente (como já declarado aqui), cuja corrente flui enquanto a força elétrica impulsionadora continua . Essa resistência pode ser comparada àquela encontrada por um navio quando ele se desloca na água em seu progresso. A resistência do dielétrico é de natureza diferente e tem sido comparada à compressão de inúmeras molas, que, sob compressão, cedem com uma contrapressão crescente, até um ponto em que a contrapressão total é igual à pressão inicial. Quando a pressão inicial é retirada, a energia gasta na compressão das "molas" é devolvida ao circuito, concomitantemente com o retorno das molas à sua condição original, produzindo uma reação no sentido contrário. Consequentemente, a corrente devido ao deslocamento de eletricidade em um condutor pode ser contínua, enquanto as correntes de deslocamento em um dielétrico são momentâneas e, em um circuito ou meio que contém apenas pouca resistência em comparação com a capacidade ou reação de indutância, as correntes de descarga são de natureza oscilatória ou alternada.

Maxwell estendeu essa visão das correntes de deslocamento em dielétricos para o éter do espaço livre. Supondo que a luz seja a manifestação das alterações das correntes elétricas no éter, e vibrando na taxa das vibrações da luz, essas vibrações por indução estabelecem vibrações correspondentes em porções adjacentes do éter e, desta forma, as ondulações correspondentes às da luz são propagados como um efeito eletromagnético no éter. A teoria eletromagnética da luz de Maxwell obviamente envolvia a existência de ondas elétricas no espaço livre, e seus seguidores se propuseram a demonstrar experimentalmente a verdade da teoria. Em 1871, ele apresentou as Observações sobre a classificação matemática de quantidades físicas .

Final do século 19

Heinrich Hertz .

Em 1887, o físico alemão Heinrich Hertz em uma série de experimentos provou a existência real de ondas eletromagnéticas , mostrando que as ondas eletromagnéticas transversais do espaço livre podem viajar a alguma distância, conforme previsto por Maxwell e Faraday. Hertz publicou seu trabalho em um livro intitulado: Ondas elétricas: pesquisas sobre a propagação da ação elétrica com velocidade finita através do espaço . A descoberta das ondas eletromagnéticas no espaço levou ao desenvolvimento do rádio nos últimos anos do século XIX.

O elétron como uma unidade de carga em eletroquímica foi postulado por G. Johnstone Stoney em 1874, que também cunhou o termo elétron em 1894. O plasma foi identificado pela primeira vez em um tubo de Crookes , e assim descrito por Sir William Crookes em 1879 (ele o chamou "matéria radiante"). O lugar da eletricidade em levar à descoberta daqueles belos fenômenos do tubo de Crookes (devido a Sir William Crookes), a saber, os raios catódicos, e mais tarde à descoberta de Roentgen ou raios X , não deve ser esquecido, uma vez que sem a eletricidade como excitante do tubo, a descoberta dos raios poderia ter sido adiada indefinidamente. Foi observado aqui que o Dr. William Gilbert foi denominado o fundador da ciência elétrica. Isso deve, no entanto, ser considerado como uma declaração comparativa.

Oliver Heaviside

Oliver Heaviside foi um estudioso autodidata que reformulou as equações de campo de Maxwell em termos de forças elétricas e magnéticas e fluxo de energia, e análise vetorial co-formulada de forma independente .

Durante o final da década de 1890, vários físicos propuseram que a eletricidade, conforme observado em estudos de condução elétrica em condutores, eletrólitos e tubos de raios catódicos , consistia em unidades discretas, que recebiam uma variedade de nomes, mas a realidade dessas unidades não tinha foi confirmado de forma convincente. No entanto, também havia indicações de que os raios catódicos tinham propriedades ondulatórias.

Faraday, Weber , Helmholtz , Clifford e outros tiveram vislumbres dessa visão; e os trabalhos experimentais de Zeeman , Goldstein , Crookes, JJ Thomson e outros fortaleceram muito essa visão. Weber previu que os fenômenos elétricos eram devidos à existência de átomos elétricos, cuja influência um sobre o outro dependia de sua posição e das acelerações e velocidades relativas. Helmholtz e outros também afirmaram que a existência de átomos elétricos seguia as leis da eletrólise de Faraday , e Johnstone Stoney, a quem se deve o termo "elétron", mostrou que cada íon químico do eletrólito decomposto carrega uma quantidade definida e constante de eletricidade, e visto que esses íons carregados são separados nos eletrodos como substâncias neutras, deve haver um instante, ainda que breve, em que as cargas devem ser capazes de existir separadamente como átomos elétricos; enquanto em 1887, Clifford escreveu: "Há grandes razões para acreditar que todo átomo material carrega sobre si uma pequena corrente elétrica, se não consistir totalmente nesta corrente."

JJ Thomson

Em 1896, JJ Thomson realizou experimentos indicando que os raios catódicos eram realmente partículas, encontrou um valor preciso para sua razão carga-massa e / m, e descobriu que e / m era independente do material catódico. Ele fez boas estimativas tanto da carga e quanto da massa m, descobrindo que as partículas de raios catódicos, que ele chamou de "corpúsculos", tinham talvez um milésimo da massa do íon menos massivo conhecido (hidrogênio). Ele também mostrou que as partículas carregadas negativamente produzidas por materiais radioativos, por materiais aquecidos e por materiais iluminados eram universais. A natureza da matéria de " raio catódico " do tubo de Crookes foi identificada por Thomson em 1897.

No final do século 19, o experimento Michelson-Morley foi realizado por Albert A. Michelson e Edward W. Morley no que hoje é a Case Western Reserve University . É geralmente considerado a evidência contra a teoria de um éter luminífero . O experimento também foi referido como "o ponto de partida para os aspectos teóricos da Segunda Revolução Científica". Principalmente por este trabalho, Michelson recebeu o Prêmio Nobel em 1907. Dayton Miller continuou com experimentos, conduzindo milhares de medições e, finalmente, desenvolvendo o interferômetro mais preciso do mundo naquela época. Miller e outros, como Morley, continuam as observações e experimentos lidando com os conceitos. Uma série de teorias de arrastamento do éter propostas poderiam explicar o resultado nulo, mas eram mais complexas e tendiam a usar coeficientes de aparência arbitrária e suposições físicas.

No final do século 19, os engenheiros elétricos se tornaram uma profissão distinta, separada dos físicos e inventores. Eles criaram empresas que investigaram, desenvolveram e aperfeiçoaram as técnicas de transmissão de eletricidade e ganharam o apoio de governos de todo o mundo para iniciar a primeira rede mundial de telecomunicações elétricas, a rede telegráfica . Os pioneiros neste campo incluem Werner von Siemens , fundador da Siemens AG em 1847, e John Pender , fundador da Cable & Wireless .

William Stanley fez a primeira demonstração pública de um transformador que permitia a entrega comercial de corrente alternada em 1886. Grandes geradores de corrente alternada de duas fases foram construídos por um eletricista britânico, JEH Gordon , em 1882. Lord Kelvin e Sebastian Ferranti também desenvolveram os primeiros alternadores, produzindo frequências entre 100 e 300 hertz. Depois de 1891, alternadores polifásicos foram introduzidos para fornecer correntes de várias fases diferentes. Os alternadores posteriores foram projetados para frequências de corrente alternada variadas entre dezesseis e cerca de cem hertz, para uso com iluminação de arco, iluminação incandescente e motores elétricos.

A possibilidade de se obter a corrente elétrica em grande quantidade, e economicamente, por meio de máquinas elétricas dínamo impulsionou o desenvolvimento das lâmpadas incandescentes e de arco. Até que essas máquinas atingissem uma base comercial, as baterias voltaicas eram a única fonte de corrente disponível para iluminação e energia elétrica. O custo dessas baterias, no entanto, e as dificuldades de mantê-las em operação confiável eram proibitivos de seu uso para fins práticos de iluminação. A data de emprego de lâmpadas de arco e lâmpadas incandescentes pode ser fixada em cerca de 1877.

Mesmo em 1880, porém, pouco progresso havia sido feito em direção ao uso geral desses iluminantes; o rápido crescimento subsequente desta indústria é uma questão de conhecimento geral. O emprego de baterias de armazenamento , que originalmente eram denominadas baterias secundárias ou acumuladores, começou por volta de 1879. Essas baterias são agora utilizadas em larga escala como auxiliares da máquina dínamo em casas de força e subestações elétricas, em automóveis elétricos e em grande número em sistemas de ignição e partida de automóveis, também em telegrafia de alarmes de incêndio e outros sistemas de sinalização.

Para a Exposição Internacional Colombiana Mundial de 1893 em Chicago, a General Electric propôs abastecer toda a feira com corrente contínua . Oferta e Westinghouse ligeiramente rebaixada da GE utilizada a feira para estrear seu sistema baseado corrente alternada, mostrando como seu sistema poderia fornecer energia de fase poli motores e todas as outras exposições AC e DC na feira.

Segunda Revolução Industrial

A Segunda Revolução Industrial, também conhecida como Revolução Tecnológica, foi uma fase de rápida industrialização no terço final do século XIX e início do XX. Junto com a expansão das ferrovias , da produção de ferro e aço , uso generalizado de maquinários na manufatura, grande aumento do uso de energia a vapor e petróleo , o período viu a expansão do uso de eletricidade e a adaptação da teoria eletromagnética no desenvolvimento de várias tecnologias.

1893 Exibição da exposição colombiana do mundo de Chicago de motores de indução CA patenteados pela Tesla

A década de 1880 viu a disseminação de sistemas comerciais de energia elétrica em grande escala, usados ​​pela primeira vez para iluminação e, posteriormente, para energia eletro-motriz e aquecimento. Os sistemas inicialmente usavam corrente alternada e corrente contínua . A grande geração de energia centralizada tornou-se possível quando se reconheceu que as linhas de energia elétrica de corrente alternada poderiam usar transformadores para aproveitar o fato de que cada duplicação da tensão permitiria que cabos do mesmo tamanho transmitissem a mesma quantidade de energia quatro vezes a distância. Os transformadores foram usados ​​para aumentar a tensão no ponto de geração (um número representativo é uma tensão do gerador na faixa dos quilovolts baixos) para uma tensão muito mais alta (dezenas de milhares a várias centenas de milhares de volts) para transmissão primária, seguida de várias transformações descendentes, para uso doméstico comercial e residencial. Entre 1885 e 1890 , foram desenvolvidas correntes polifásicas combinadas com indução eletromagnética e motores de indução CA práticos .

A Exposição Eletrotécnica Internacional de 1891, apresentando a transmissão de longa distância de corrente elétrica trifásica de alta potência. Realizou-se entre 16 de maio e 19 de outubro nas antigas instalações das três antigas "Westbahnhöfe" (Estações Ferroviárias Ocidentais) em Frankfurt am Main. A exposição apresentou a primeira transmissão de longa distância de corrente elétrica trifásica de alta potência, gerada a 175 km de Lauffen am Neckar. Como resultado desse teste de campo bem-sucedido, a corrente trifásica foi estabelecida para redes de transmissão elétrica em todo o mundo.

Muito foi feito no sentido de melhorar as instalações dos terminais ferroviários, e é difícil encontrar um engenheiro ferroviário a vapor que negasse que todas as ferrovias a vapor importantes deste país não deviam ser operadas eletricamente. Em outras direções, esperava-se que o andamento dos eventos quanto à utilização da energia elétrica fosse igualmente rápido. Em todas as partes do mundo, o poder da queda d'água, a máquina de movimento perpétuo da natureza, que vem sendo desperdiçada desde o início do mundo, agora está sendo convertido em eletricidade e transmitido por fio a centenas de quilômetros de pontos onde é útil e economicamente empregado .

Charles Proteus Steinmetz, teórico da corrente alternada.

O primeiro moinho de vento para produção de eletricidade foi construído na Escócia em julho de 1887 pelo engenheiro elétrico escocês James Blyth . Do outro lado do Atlântico, em Cleveland, Ohio, uma máquina maior e de engenharia pesada foi projetada e construída em 1887-88 por Charles F. Brush , esta foi construída por sua empresa de engenharia em sua casa e operada de 1886 até 1900. A turbina eólica Brush tinha um rotor de 56 pés (17 m) de diâmetro e foi montado em uma torre de 60 pés (18 m). Embora grande para os padrões atuais, a máquina foi avaliada apenas em 12 kW; girou relativamente devagar, pois tinha 144 lâminas. O dínamo conectado foi usado para carregar um banco de baterias ou para operar até 100 lâmpadas incandescentes , três lâmpadas de arco e vários motores no laboratório de Brush. A máquina caiu em desuso depois de 1900, quando a eletricidade passou a ser disponibilizada nas estações centrais de Cleveland, e foi abandonada em 1908.

século 20

Várias unidades de eletricidade e magnetismo foram adotadas e nomeadas por representantes dos institutos de engenharia elétrica do mundo, cujas unidades e nomes foram confirmados e legalizados pelos governos dos Estados Unidos e de outros países. Assim, o volt, do italiano Volta, foi adotado como unidade prática de força eletromotriz, o ohm, do enunciador da lei de Ohm, como unidade prática de resistência; o ampere , em homenagem ao eminente cientista francês com esse nome, como a unidade prática de força atual, o Henry como a unidade prática de indutância, em homenagem a Joseph Henry e em reconhecimento a seu primeiro e importante trabalho experimental em indução mútua.

Dewar e John Ambrose Fleming previram que no zero absoluto , metais puros se tornariam condutores eletromagnéticos perfeitos (embora, mais tarde, Dewar alterasse sua opinião sobre o desaparecimento da resistência acreditando que sempre haveria alguma resistência). Walther Hermann Nernst desenvolveu a terceira lei da termodinâmica e afirmou que o zero absoluto era inatingível. Carl von Linde e William Hampson , ambos pesquisadores comerciais, quase ao mesmo tempo solicitaram patentes para o efeito Joule-Thomson . A patente de Linde foi o clímax de 20 anos de investigação sistemática de fatos estabelecidos, usando um método de contrafluxo regenerativo. O projeto de Hampson também era de um método regenerativo. O processo combinado ficou conhecido como processo de liquefação Linde-Hampson . Heike Kamerlingh Onnes comprou uma máquina Linde para sua pesquisa. Zygmunt Florenty Wróblewski conduziu pesquisas sobre propriedades elétricas em baixas temperaturas, embora sua pesquisa tenha terminado cedo devido à sua morte acidental. Por volta de 1864, Karol Olszewski e Wroblewski previram os fenômenos elétricos de queda dos níveis de resistência em temperaturas ultra-frias. Olszewski e Wroblewski documentaram evidências disso na década de 1880. Um marco foi alcançado em 10 de julho de 1908, quando Onnes, da Universidade de Leiden em Leiden , produziu, pela primeira vez, hélio liquefeito e alcançou a supercondutividade .

Em 1900, William Du Bois Duddell desenvolve o Arco Cantante e produz sons melódicos, de graves a agudos, a partir desta lâmpada de arco.

Lorentz e Poincaré

Hendrik Lorentz

Entre 1900 e 1910, muitos cientistas como Wilhelm Wien , Max Abraham , Hermann Minkowski ou Gustav Mie acreditaram que todas as forças da natureza são de origem eletromagnética (a chamada "visão de mundo eletromagnética"). Isso estava conectado com a teoria do elétron desenvolvida entre 1892 e 1904 por Hendrik Lorentz . Lorentz introduziu uma separação estrita entre a matéria (elétrons) e o éter, segundo a qual em seu modelo o éter é completamente imóvel, e não será colocado em movimento na vizinhança da matéria ponderável. Ao contrário de outros modelos de elétrons anteriores, o campo eletromagnético do éter aparece como um mediador entre os elétrons, e as mudanças neste campo não podem se propagar mais rápido do que a velocidade da luz.

Em 1896, três anos após apresentar sua tese sobre o efeito Kerr , Pieter Zeeman desobedeceu às ordens diretas de seu supervisor e usou equipamento de laboratório para medir a divisão de linhas espectrais por um forte campo magnético. Lorentz explicou teoricamente o efeito Zeeman com base em sua teoria, pela qual ambos receberam o Prêmio Nobel de Física em 1902. Um conceito fundamental da teoria de Lorentz em 1895 era o "teorema dos estados correspondentes" para termos de ordem v / c. Este teorema afirma que um observador em movimento (em relação ao éter) faz as mesmas observações que um observador em repouso. Este teorema foi estendido para termos de todas as ordens por Lorentz em 1904. Lorentz notou que era necessário mudar as variáveis ​​de espaço-tempo ao mudar os quadros e introduziu conceitos como a contração de comprimento físico (1892) para explicar o experimento de Michelson-Morley, e o conceito matemático de hora local (1895) para explicar a aberração da luz e o experimento de Fizeau . Isso resultou na formulação da chamada transformação de Lorentz por Joseph Larmor (1897, 1900) e Lorentz (1899, 1904). Como Lorentz observou mais tarde (1921, 1928), ele considerava o tempo indicado por relógios em repouso no éter como o tempo "verdadeiro", enquanto o tempo local era visto por ele como uma hipótese heurística de trabalho e um artifício matemático. Portanto, o teorema de Lorentz é visto pelos historiadores modernos como uma transformação matemática de um sistema "real" que repousa no éter em um sistema "fictício" em movimento.

Henri Poincaré

Dando continuidade ao trabalho de Lorentz, Henri Poincaré entre 1895 e 1905 formulou em muitas ocasiões o princípio da relatividade e tentou harmonizá-lo com a eletrodinâmica. Ele declarou a simultaneidade apenas uma convenção conveniente que depende da velocidade da luz, pela qual a constância da velocidade da luz seria um postulado útil para tornar as leis da natureza tão simples quanto possível. Em 1900, ele interpretou a hora local de Lorentz como o resultado da sincronização do relógio por sinais de luz e introduziu o momento eletromagnético comparando a energia eletromagnética com o que chamou de "fluido fictício" de massa . E, finalmente, em junho e julho de 1905, ele declarou o princípio da relatividade uma lei geral da natureza, incluindo a gravitação. Ele corrigiu alguns erros de Lorentz e provou a covariância de Lorentz das equações eletromagnéticas. Poincaré também sugeriu que existem forças não elétricas para estabilizar a configuração do elétron e afirmou que a gravitação também é uma força não elétrica, ao contrário da visão de mundo eletromagnética. No entanto, historiadores apontaram que ele ainda usava a noção de um éter e distinguia entre tempo "aparente" e "real" e, portanto, não inventou a relatividade especial em seu entendimento moderno. ${\ displaystyle m = E / c ^ {2}}$

Annus Mirabilis de Einstein

Albert Einstein , 1905

Em 1905, enquanto trabalhava no escritório de patentes, Albert Einstein publicou quatro artigos no Annalen der Physik , o principal jornal alemão de física. Estes são os papéis que a história passou a chamar de papéis do Annus Mirabilis :

• Seu artigo sobre a natureza particulada da luz apresentou a ideia de que certos resultados experimentais, notadamente o efeito fotoelétrico , poderiam ser simplesmente entendidos a partir do postulado de que a luz interage com a matéria como "pacotes" ( quanta ) discretos de energia, uma ideia que havia sido introduzida por Max Planck em 1900 como uma manipulação puramente matemática, e que parecia contradizer as teorias ondulatórias contemporâneas da luz ( Einstein 1905a ). Essa foi a única obra de Einstein que ele mesmo chamou de "revolucionária".
• Seu artigo sobre o movimento browniano explicou o movimento aleatório de objetos muito pequenos como evidência direta da ação molecular, apoiando assim a teoria atômica . ( Einstein 1905b )
• Seu artigo sobre a eletrodinâmica de corpos em movimento introduziu a teoria radical da relatividade especial , que mostrou que a independência observada da velocidade da luz no estado de movimento do observador exigia mudanças fundamentais na noção de simultaneidade . As consequências disso incluem a estrutura do espaço-tempo de um corpo em movimento desacelerando e contraindo (na direção do movimento) em relação à estrutura do observador. Este artigo também argumentou que a ideia de um éter luminífero - uma das principais entidades teóricas da física na época - era supérflua. ( Einstein 1905c )
• Em seu artigo sobre equivalência massa-energia (anteriormente considerados conceitos distintos), Einstein deduziu de suas equações da relatividade especial o que mais tarde se tornou a expressão conhecida:, sugerindo que pequenas quantidades de massa poderiam ser convertidas em grandes quantidades de energia. ( Einstein 1905d )${\ displaystyle E = mc ^ {2}}$

Todos os quatro artigos são hoje reconhecidos como grandes realizações - e, portanto, 1905 é conhecido como o " Ano Maravilhoso " de Einstein . Na época, entretanto, eles não foram percebidos pela maioria dos físicos como sendo importantes, e muitos daqueles que os notaram os rejeitaram imediatamente. Alguns desses trabalhos - como a teoria dos quanta de luz - permaneceram controversos por anos.

Meados do século 20

Paul Dirac

A primeira formulação de uma teoria quântica que descreve a interação da radiação e da matéria é devida a Paul Dirac , que, durante 1920, foi capaz de calcular o coeficiente de emissão espontânea de um átomo . Paul Dirac descreveu a quantização do campo eletromagnético como um conjunto de osciladores harmônicos com a introdução do conceito de operadores de criação e aniquilação de partículas. Nos anos seguintes, com contribuições de Wolfgang Pauli , Eugene Wigner , Pascual Jordan , Werner Heisenberg e uma elegante formulação da eletrodinâmica quântica de Enrico Fermi , os físicos passaram a acreditar que, em princípio, seria possível realizar qualquer cálculo para qualquer processo físico envolvendo fótons e partículas carregadas. No entanto, estudos posteriores de Felix Bloch com Arnold Nordsieck e Victor Weisskopf , em 1937 e 1939, revelaram que tais cálculos eram confiáveis ​​apenas na teoria de perturbação de primeira ordem , um problema já apontado por Robert Oppenheimer . Em ordens superiores da série, infinitos emergiram, tornando tais cálculos sem sentido e lançando sérias dúvidas sobre a consistência interna da própria teoria. Sem solução para este problema conhecida na época, parecia que existia uma incompatibilidade fundamental entre a relatividade especial e a mecânica quântica .

Em dezembro de 1938, os químicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann enviaram um manuscrito para Naturwissenschaften relatando que haviam detectado o elemento bário após bombardear urânio com nêutrons ; simultaneamente, eles comunicaram esses resultados a Lise Meitner . Meitner e seu sobrinho Otto Robert Frisch interpretaram corretamente esses resultados como sendo fissão nuclear . Frisch confirmou isso experimentalmente em 13 de janeiro de 1939. Em 1944, Hahn recebeu o Prêmio Nobel de Química pela descoberta da fissão nuclear. Alguns historiadores que documentaram a história da descoberta da fissão nuclear acreditam que Meitner deveria ter recebido o Prêmio Nobel com Hahn.

As dificuldades com a teoria quântica aumentaram até o final de 1940. Os avanços na tecnologia de micro-ondas tornaram possível fazer medições mais precisas da mudança dos níveis de um átomo de hidrogênio , agora conhecida como mudança de Lamb e momento magnético do elétron. Essas experiências expuseram inequivocamente discrepâncias que a teoria não foi capaz de explicar. Com a invenção das câmaras de bolhas e de centelha na década de 1950, a física experimental das partículas descobriu um grande e crescente número de partículas chamadas hádrons . Parecia que um número tão grande de partículas não poderia ser fundamental .

Pouco depois do fim da guerra em 1945, Bell Labs formou um Solid State Physics Group, liderado por William Shockley e o químico Stanley Morgan; outro pessoal, incluindo John Bardeen e Walter Brattain , o físico Gerald Pearson, o químico Robert Gibney, o especialista em eletrônica Hilbert Moore e vários técnicos. A tarefa deles era buscar uma alternativa de estado sólido para os frágeis amplificadores de tubo a vácuo de vidro . Suas primeiras tentativas foram baseadas nas idéias de Shockley sobre o uso de um campo elétrico externo em um semicondutor para afetar sua condutividade. Esses experimentos falharam todas as vezes em todos os tipos de configurações e materiais. O grupo estava paralisado até que Bardeen sugeriu uma teoria que invocava estados de superfície que impediam o campo de penetrar no semicondutor. O grupo mudou seu foco para estudar esses estados de superfície e eles se reuniram quase diariamente para discutir o trabalho. O relacionamento do grupo foi excelente e as ideias foram trocadas livremente.

Quanto aos problemas nos experimentos de elétrons, um caminho para uma solução foi dado por Hans Bethe . Em 1947, enquanto viajava de trem para chegar a Schenectady de Nova York, depois de dar uma palestra na conferência em Shelter Island sobre o assunto, Bethe concluiu o primeiro cálculo não relativístico da mudança das linhas do átomo de hidrogênio medida por Lamb e Retherford. Apesar das limitações do cálculo, a concordância foi excelente. A ideia era simplesmente anexar infinitos a correções de massa e carga que foram realmente fixadas em um valor finito por experimentos. Dessa forma, os infinitos são absorvidos por essas constantes e geram um resultado finito em boa concordância com os experimentos. Este procedimento foi denominado renormalização .

Richard Feynman

Com base na intuição de Bethe e nos artigos fundamentais sobre o assunto de Shin'ichirō Tomonaga , Julian Schwinger , Richard Feynman e Freeman Dyson , foi finalmente possível obter formulações covariantes completas que eram finitas em qualquer ordem em uma série de perturbações da eletrodinâmica quântica. Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física em 1965 por seu trabalho nesta área. Suas contribuições, e as de Freeman Dyson , foram sobre formulações covariantes e invariantes de calibre da eletrodinâmica quântica que permitem cálculos de observáveis ​​em qualquer ordem da teoria de perturbação . A técnica matemática de Feynman, baseada em seus diagramas , inicialmente parecia muito diferente da abordagem teórica de campo baseada no operador de Schwinger e Tomonaga, mas Freeman Dyson mais tarde mostrou que as duas abordagens eram equivalentes. A renormalização , a necessidade de atribuir um significado físico a certas divergências que aparecem na teoria por meio de integrais , tornou-se subsequentemente um dos aspectos fundamentais da teoria quântica de campos e passou a ser vista como um critério para a aceitabilidade geral de uma teoria. Mesmo que a renormalização funcione muito bem na prática, Feynman nunca se sentiu totalmente confortável com sua validade matemática, mesmo se referindo à renormalização como um "jogo de concha" e "hocus pocus". QED serviu como modelo e gabarito para todas as teorias quânticas de campo subsequentes. Peter Higgs , Jeffrey Goldstone e outros, Sheldon Glashow , Steven Weinberg e Abdus Salam mostraram independentemente como a força nuclear fraca e a eletrodinâmica quântica poderiam ser fundidas em uma única força eletrofraca .

Robert Noyce creditou a Kurt Lehovec o princípio do isolamento da junção p-n causado pela ação de uma junção pn polarizada (o diodo) como um conceito-chave por trás do circuito integrado . Jack Kilby registrou suas idéias iniciais sobre o circuito integrado em julho de 1958 e demonstrou com sucesso o primeiro circuito integrado funcional em 12 de setembro de 1958. Em seu pedido de patente de 6 de fevereiro de 1959, Kilby descreveu seu novo dispositivo como "um corpo de material semicondutor. .. em que todos os componentes do circuito eletrônico estão completamente integrados. " Kilby ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2000 por sua parte na invenção do circuito integrado. Robert Noyce também teve sua própria ideia de um circuito integrado meio ano depois de Kilby. O chip de Noyce resolveu muitos problemas práticos que o de Kilby não resolvera. O chip de Noyce, fabricado na Fairchild Semiconductor , era feito de silício , enquanto o chip de Kilby era feito de germânio .

Philo Farnsworth desenvolveu o Farnsworth – Hirsch Fusor , ou simplesmente fusor, um aparelho projetado por Farnsworth para criar a fusão nuclear . Ao contrário da maioria dos sistemas de fusão controlados, que aquecem lentamente um plasma confinado magneticamente , o fusor injeta íons de alta temperatura diretamente em uma câmara de reação, evitando assim uma quantidade considerável de complexidade. Quando o Farnsworth-Hirsch Fusor foi introduzido pela primeira vez no mundo da pesquisa de fusão no final dos anos 1960, o Fusor foi o primeiro dispositivo que poderia demonstrar claramente que estava produzindo reações de fusão. Na época, havia muita esperança de que pudesse ser rapidamente desenvolvido em uma fonte de energia prática. No entanto, como acontece com outros experimentos de fusão, o desenvolvimento em uma fonte de energia tem se mostrado difícil. No entanto, o fusor se tornou uma fonte prática de nêutrons e é produzido comercialmente para essa função.

Violação de paridade

A imagem espelhada de um eletroímã produz um campo com a polaridade oposta. Assim, os pólos norte e sul de um ímã têm a mesma simetria que o esquerdo e o direito. Antes de 1956, acreditava-se que essa simetria era perfeita e que um técnico seria incapaz de distinguir os pólos norte e sul de um ímã, exceto por referência à esquerda e à direita. Naquele ano, TD Lee e CN Yang previram a não conservação da paridade na interação fraca. Para a surpresa de muitos físicos, em 1957 CS Wu e colaboradores do US National Bureau of Standards demonstraram que, sob condições adequadas para polarização de núcleos, o decaimento beta do cobalto-60 libera elétrons preferencialmente em direção ao pólo sul de um campo magnético externo, e um número um pouco maior de raios gama em direção ao pólo norte. Como resultado, o aparato experimental não se comporta de forma comparável com sua imagem no espelho.

Teoria eletrofraca

O primeiro passo para o Modelo Padrão foi a descoberta de Sheldon Glashow , em 1960, de uma forma de combinar as interações eletromagnéticas e fracas . Em 1967, Steven Weinberg e Abdus Salam incorporaram o mecanismo de Higgs à teoria eletrofraca de Glashow , dando-lhe sua forma moderna. Acredita-se que o mecanismo de Higgs dê origem às massas de todas as partículas elementares do Modelo Padrão. Isso inclui as massas dos bósons W e Z e as massas dos férmions - ou seja, os quarks e léptons . Após as correntes neutras fracas causadas por
Z
a troca de bósons foi descoberta no CERN em 1973, a teoria eletrofraca tornou-se amplamente aceita e Glashow, Salam e Weinberg compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 1979 por descobri-la. Os bósons W e Z foram descobertos experimentalmente em 1981, e suas massas foram encontradas como o modelo padrão predito. A teoria da interação forte , para a qual muitos contribuíram, adquiriu sua forma moderna por volta de 1973-74, quando experimentos confirmaram que os hádrons eram compostos de quarks com carga fracionária. Com o estabelecimento da cromodinâmica quântica na década de 1970 finalizou-se um conjunto de partículas fundamentais e de troca, o que permitiu o estabelecimento de um " modelo padrão " baseado na matemática da invariância de calibre , que descreveu com sucesso todas as forças exceto a gravidade, e que permanece de forma geral aceito no domínio ao qual foi projetado para ser aplicado.

O 'modelo padrão' agrupa a teoria de interação eletrofraca e a cromodinâmica quântica em uma estrutura denotada pelo grupo de calibres SU (3) × SU (2) × U (1) . A formulação da unificação das interações eletromagnética e fraca no modelo padrão deve-se a Abdus Salam , Steven Weinberg e, posteriormente, Sheldon Glashow . Após a descoberta, feita no CERN , da existência de correntes neutras fracas , mediadas pela
Z
bóson previsto no modelo padrão, os físicos Salam, Glashow e Weinberg receberam o Prêmio Nobel de Física de 1979 por sua teoria eletrofraca. Desde então, as descobertas do quark bottom (1977), do quark top (1995) e do neutrino de tau (2000) deram crédito ao modelo padrão.

século 21

Tecnologias eletromagnéticas

Existem várias tecnologias emergentes de energia . Em 2007, os capacitores elétricos de camada dupla em escala de micrômetro de estado sólido baseados em condutores superiônicos avançados eram para eletrônica de baixa tensão, como nanoeletrônica de subtensão profunda e tecnologias relacionadas (o nó tecnológico de 22 nm do CMOS e além). Além disso, a bateria de nanofio , uma bateria de íon de lítio, foi inventada por uma equipe liderada pelo Dr. Yi Cui em 2007.

Ressonância magnética

Refletindo a importância fundamental e a aplicabilidade da ressonância magnética na medicina, Paul Lauterbur da University of Illinois at Urbana – Champaign e Sir Peter Mansfield da University of Nottingham receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2003 por suas "descobertas sobre ressonância magnética imagem ". A citação do Nobel reconheceu a percepção de Lauterbur de usar gradientes de campo magnético para determinar a localização espacial , uma descoberta que permitiu a aquisição rápida de imagens 2D.

Eletricidade sem fio

Eletricidade sem fio é uma forma de transferência de energia sem fio , a capacidade de fornecer energia elétrica a objetos remotos sem fios. O termo WiTricity foi cunhado em 2005 por Dave Gerding e mais tarde usado para um projeto liderado pelo Prof. Marin Soljačić em 2007. Os pesquisadores do MIT demonstraram com sucesso a capacidade de alimentar uma lâmpada de 60 watts sem fio, usando duas bobinas de cobre de 5 voltas de 60 cm (24 pol.) de diâmetro , que estavam a 2 m (7 pés) de distância, com eficiência de aproximadamente 45%. Essa tecnologia pode ser usada em uma grande variedade de aplicações, incluindo consumidor, industrial, médica e militar. Seu objetivo é reduzir a dependência de baterias. Outras aplicações dessa tecnologia incluem a transmissão de informações - ela não interfere nas ondas de rádio e, portanto, pode ser usada como um dispositivo de comunicação barato e eficiente sem a necessidade de licença ou permissão do governo.

Teorias unificadas

A Grand Unified Theory (GUT) é um modelo em física de partículas em que, em alta energia, a força eletromagnética é fundida com as outras duas interações de calibre do Modelo Padrão , as forças nucleares fracas e fortes . Muitos candidatos foram propostos, mas nenhum é diretamente apoiado por evidências experimentais. GUTs são frequentemente vistos como etapas intermediárias em direção a uma " Teoria de Tudo " (TOE), uma teoria putativa da física teórica que explica totalmente e vincula todos os fenômenos físicos conhecidos e, idealmente, tem poder preditivo para o resultado de qualquer experimento que poderia ser realizada em princípio. Essa teoria ainda não foi aceita pela comunidade física.

Problemas abertos

O monopolo magnético na teoria quântica da carga magnética começou com um artigo do físico Paul AM Dirac em 1931. A detecção de monopólos magnéticos é um problema em aberto na física experimental. Em alguns modelos teóricos , monopólos magnéticos são improváveis ​​de serem observados, porque são muito massivos para serem criados em aceleradores de partículas , e também muito raros no Universo para entrar em um detector de partículas com muita probabilidade.

Depois de mais de vinte anos de pesquisa intensiva, a origem da supercondutividade de alta temperatura ainda não é clara, mas parece que em vez de mecanismos de atração elétron-fônon , como na supercondutividade convencional, estamos lidando com mecanismos eletrônicos genuínos (por exemplo, por correlações antiferromagnéticas ), e em vez de emparelhamento de onda s, os emparelhamentos de onda d são substanciais. Um dos objetivos de toda essa pesquisa é a supercondutividade à temperatura ambiente .

Veja também

Histórias

História do espectro eletromagnético , História da engenharia elétrica , História das equações de Maxwell , História do rádio , História da óptica , História da física

Em geral

Lei de Biot-Savart , força Ponderomotive , correntes telúricas , magnetismo terrestre , amperes horas , as ondas transversais , ondas longitudinais , ondas planas , de índice de refracção , de torque , rotações por minuto , Photosphere , Vortex , anéis de vortex ,

Teoria

permissividade , produto escalar , produto vetor , tensor , série divergentes , operador linear , unidade vector , paralelepípedo , osculating plano , vela padrão

Tecnologia

Solenóide , eletroímãs , prismas Nicol , reostato , voltímetro , fio coberto de guta-percha , Condutor elétrico , amperímetro , máquina de Gramme , postes de ligação , motor de indução , pára-raios , história tecnológica e industrial dos Estados Unidos , Western Electric Company ,

Listas

Esboço do desenvolvimento de energia

Linhas do tempo

Linha do tempo do eletromagnetismo , Linha do tempo do éter luminífero

Referências

Citações e notas

Atribuição

• Este artigo incorpora texto desta fonte, que se encontra no domínio público : " Electricity, its History and Progres s" de William Maver Jr. - artigo publicado na The Encyclopedia Americana; uma biblioteca de conhecimento universal , vol. X, pp. 172ss. (1918). Nova York: Encyclopedia Americana Corp.

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links externos

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• Magnetismo , discussão da BBC Radio 4 com Stephen Pumphrey, John Heilbron e Lisa Jardine ( In Our Time , 29 de setembro de 2005)