Em 1875, o inventor americano Thomas Edison estava dedicado à telegrafia quando verificou que se produziam faísca entre objetos metálicos próximos de um relé eletromagnético do telégrafo, quando este estava em funcionamento, não havendo qualquer ligação elétrica entre os objetos e o relé. Edison pensou que o fenómeno não tinha natureza elétrica e chamou-lhe “força etérica”. Mais tarde, Edison lamentou não ter aprofundado este assunto.

O mesmo fenómeno havia observado o professor Elihu Thomson quando experimentava a sua bobina de Ruhmkorff. Contrariamente a Edison, Thomson era de opinião que o fenómeno tinha natureza elétrica, mas também ele não desenvolveu o seu estudo.

Em 1882, o professor americano de física Amos Emerson Dolbear patenteou um sistema telefónico em que o emissor estava ligado à terra por um fio e tinha outro fio no ar (Dolbear chegou a utilizar um papagaio), o mesmo acontecendo ao recetor. Dolbear considerou que a comunicação de sinais telegráficos com este sistema era estabelecida pela terra. Apesar de fazer demonstrações do seu sistema, este foi considerado sem futuro.

Vejamos o que se passou com o alemão Heinrich Hertz (1857-1894).

Quando ensinava Física em Karlsruhe, Hertz demonstrava o fenómeno da indução eletromagnética, descoberto por Faraday e Henry, com uma experiência.

Hertz dispunha de dois circuitos com espiras planas de fio condutor (espirais de Riess), colocadas uma próximo da outra (ver figura seguinte). No primeiro circuito, a espiral era ligada a uma bateria por meio dum interrutor. No segundo circuito, a espiral estava aberta, terminando por duas pequenas esferas metálicas próximas uma da outra.

Quando fechava o interrutor, verificava-se o aparecimento de uma faísca entre as duas esferas da segunda espiral, devido à indução (uma variação do fluxo magnético que atravessa um circuito elétrico produz neste uma força eletromotriz).

Hertz resolveu alterar as condições da experiência, alterando os componentes e, nomeadamente, as formas dos circuitos. Substituiu a bateria por uma garrafa de Leyden e depois por uma bobina de indução.

Com este novo circuito (ver figura seguinte) verificou que o aparecimento de uma faísca entre as esferas do circuito superior fazia aparecer uma faísca entre as esferas do circuito inferior.

Em seguida desenrolou a espiral superior, depois de a cortar ao meio, ficando com dois fios retilíneos, nas extremidades dos quais colocou esferas (ver figura seguinte).

Após uma série de novas alterações, agora no circuito inferior, chegou a uma forma retangular, verificando sempre que o aparecimento de uma faísca no primeiro circuito induzia uma faísca no segundo.

A imagem seguinte baseia-se numa fotografia de um conjunto montado sobre duas mesas e tirada pelo próprio Hertz. O primário da bobina de Ruhmkorff  e a alimentação não estão representados.

O circuito primário (emissor) é constituído por dois condutores de 0,5 centímetro de diâmetro e 1,5 metro de comprimento cada um. Estes condutores estão assentes em suportes isolantes e terminam, nas extremidades exteriores, em duas esferas metálicas de cobre ocas com 30 centímetros de diâmetro e, nas extremidades interiores, em duas bolas de latão maciço de 3 centímetros de diâmetro. A distância entre estas bolas é inferior a 1 centímetro. 

O secundário da bobina de Ruhmkorff  está ligado a  estes condutores, próximo das bolas de latão.

Neste conjunto Hertz montou dois circuitos secundários.

Os circuitos secundários são retangulares e terminam em duas esferas dotadas de parafuso micrométrico para regular o espaço entre elas.

Estávamos no Outono de 1887.

Hertz continuou com as suas experiências, substituindo as esferas das extremidades por placas condutoras planas retangulares (ver figura seguinte).

Numa das experiências, realizada em Novembro e Dezembro de 1887, Hertz montou o circuito oscilador e outro circuito separado, com um fio ligando a placas condutoras nas extremidades. Uma destas placas ficava sobre uma placa do oscilador.

Hertz utilizou também um ressoador, aparelho que construiu para detetar as emissões do oscilador.

O aparelho era constituído por uma armação de madeira com 1 metro de largura. Na área circular de 75 centímetros de diâmetro montou um anel de fio condutor aberto, com um parafuso micrométrico para poder ajustar a distância entre as extremidades do fio onde se produziam as faíscas.

Com o ressoador, Hertz percorreu a distância ao longo do fio e, por tentativas, acabou por verificar que, para um comprimento do fio adequado, havia pontos do fio em que não se produziam faíscas no ressoador, enquanto se produziam nos restantes pontos. Hertz interpretou o fato como estando em presença de ondas eletrodinâmicas estacionárias ao longo do fio e que os pontos onde não se produziam faíscas correspondiam aos nós das ondas. Estas ondas seriam o resultado de uma onda incidente e de uma onda refletida pela placa na extremidade do fio.

Vejamos a interpretação do fenómeno.

As placas do oscilador carregam-se alternadamente com carga positiva e negativa. Suponhamos que em determinado instante a placa esquerda tinha carga positiva e a direita carga negativa. A placa que se encontra sobre a placa esquerda vai adquirir carga negativa (por indução eletrostática) e a placa na outra extremidade o fio fica carregada positivamente. Como as placas do oscilador variam a sua carga com uma frequência muito elevada, a variação das cargas nas placas ligadas ao fio também varia com a mesma frequência, havendo correntes num e noutro sentido do fio. Se o comprimento do fio for múltiplo do comprimento de onda há formação de nós onde as correntes incidente e refletida se anulam e há reforço nas outras regiões (ventres no centro entre dois nós).

Hertz orientou em seguida as suas experiências no sentido do estudo das ações indutivas diretas através do ar provenientes do oscilador e detetadas pelo ressoador e que acompanham as ondas de corrente que se propagam diretamente através do fio. Hertz concluiu que estas ações se manifestam sob a forma de ondas e em 1887 inventou os termos “ondas indutivas” ou “ondas aéreas”, hoje chamadas “ondas hertzianas”.

Hertz conduziu em Março de 1888 experiências, que ficaram célebres, sobre estas ondas, concluindo que as “ondas eletrodinâmicas” (ondas hertzianas) no ar se refletem nas superfícies condutoras, podendo interferir com as ondas incidentes e originar desta forma ondas estacionárias no ar.

Hertz fez um estudo experimental da distribuição destas ondas estacionárias numa sala, utilizando um oscilador com o eixo na vertical para obter a máxima intensidade num plano horizontal perpendicular àquele eixo e passando por entre as esferas onde se produziam as faíscas.

Colocou uma placa de zinco (de 4 x 2 m) na parede em frente do oscilador, para refletir as ondas.

Para detetar as ondas usou um ressoador que lhe permitia observar as faíscas produzidas pela onda recebida.

Hertz deslocou o ressoador pelo espaço da sala ao longo daquele plano horizontal. Com base nas observações efetuadas, desenhou um gráfico onde representou as ondas eletrodinâmicas estacionárias, com os seus nós e ventres, desde o oscilador até à extremidade da sala, assim como a variação do campo magnético, nos mesmos pontos.

Hertz acabou por concluir que estava em presença de ondas eletromagnéticas análogas às da luz, que se propagam no espaço devido às variações dos campos elétrico e magnético, previsões feitas teoricamente pelo escocês James Maxwell no seu  “Tratado de eletricidade e magnetismo” de 1865.

Hertz prosseguiu o estudo das propriedades destas ondas, nomeadamente a sua propagação retilínea, a reflexão por um espelho metálico, a polarização e a refração. Para isso, adatou os aparelhos já utilizados e criou outros.

Bibliografia

Hertz (Cahiers de Science et Vie)

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