SOM, IMAGEM E INFORMAÇÃO

Curso para TEIA DO SABER, Ensino Médio III – Jacareí – 24/11/07 Profs. José J. Lunazzi e Daniel S.F. Magalhães
SOM, IMAGEM E INFORMAÇÃO
SOM
O som é o resultado da variação de pressão rápida de um volume de matéria, variação que passa então a se propagar na região que o circunda. Embora um som fortissimo possa até quebrar ou derrubar objetos, o movimento realizado pelo meio é bem pequeno.
Um brinquedo popular mexicano serve para mostrar o princípio:
Brinquedo mexicano: pendurado verticalmente, os elementos dele parecem cair constantemente, no entanto o brinquedo continua no lugar.
Por causa da elasticidade dos materiais, o efeito de qualquer percussão acaba gerando vibrações, que são movimentos periódicos de compressão e expansão. Estes se difundem no meio como uma onda. No caso do som, trata­se das chamadas ondas longitudinais, porque o meio vibra na direção em que a onda se propaga. Ondas transversais surgem em uma corda pois ela tem liberdade de movimento unicamente lateral. Com uma mola podemos ilustrar a maneira de nela gerar os dois tipos de ondas: se a esticamos e deslocamos longitudinalmente um dos elementos para soltá­lo repentinamente, esse deslocamento passa aos elementos vizinhos. Se no entanto deslocamos o elemento lateralmente ou chacoalhamos a mola vemos a onda transversal acontecendo.
Mola metálica, que exemplifica a propagação de uma onda longitudinal.
Na superfície de um meio como a água a propagação se vê como linhas que viajam se expandindo, e para melhor observá­las temos um experimento chamado “Cuba de ondas”.
Cuba de ondas. Com um retroprojetor podemos mostrar a uma sala de aula a formação de ondas na superfície da água.
Colocado sobre um retroprojetor, devido a seu fundo de vidro, pode­se projetar para uma sala de aula a propagação das ondas na superfície da água. Colocando um obstáculo no caminho da onda pode­se ver o fenômeno da difração. Informações sobre a cuba de ondas podem ser encontradas em 1
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Som nos instrumentos musicais
Ondas sonoras podem ser produzidas em instrumentos musicais. Existem muitas formas de classificar os instrumentos musicais. Cada uma delas se presta melhor para cada finalidade. Existem classificações que levam em conta os conjuntos instrumentais tais como orquestras. Um exemplo é a classificação dos instrumentos da orquestra sinfônica que divide os instrumentos em cordas, sopros (subdivididos em madeiras e metais) e percussão.
Instrumentos de Corda
Instrumentos de cordas são instrumentos musicais cuja fonte primária de som é a vibração de uma corda tensionada quando pinçada, percutida ou friccionada.
Quarteto de cordas: 2 violinos, 1 viola e 1 violoncelo
O estudo dos instrumentos de corda está baseado na teoria das ondas estacionárias, ou seja, na freqüência das ondas sonoras que as cordas emitem. Essas freqüências naturais dependem de três fatores: a densidade linear das cordas (a massa da corda dividida pelo volume que a mesma ocupa), o módulo da tração a que elas estão submetidas (se a corda está mais apertada ou frouxa no braço do instrumento) e o comprimento linear da corda. Isso significa que podemos alterar a altura das notas e sua afinação ao variar qualquer uma dessas características: Se duas cordas possuem a mesma densidade e comprimento, a que sofrer maior tensão produzirá notas mais agudas. Cordas mais longas produzem notas mais graves que as mais curtas. Cordas mais grossas (com maior densidade linear) produzem notas mais graves que as mais finas. Os instrumentos utilizam variações dessas características para definir a freqüência fundamental de cada corda. Há instrumentos em que todas as cordas têm o mesmo comprimento, mas a tensão e espessura variam, como a guitarra. Em outros todas as cordas têm a mesma espessura e somente o comprimento e a tensão variam, como em algumas liras e cítaras. Há ainda aqueles em que as três características variam de corda a corda para 1http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem2_2004/011863Marcosp­RichardLanders_RF.pdf
obter toda a extensão do instrumento, como o piano.
Foto de um violino Stradivarius
Devido ao pequeno volume sonoro que a vibração de uma corda produz, a maioria dos instrumentos de cordas têm uma caixa acústica que amplifica o som produzido, como o caso do violino, da viola, do violoncelo, do contrabaixo e do violão. Alguns instrumentos não possuem caixa de ressonância e necessitam de amplificação externa, como a Guitarra elétrica e o Baixo. Instrumentos de sopro
Instrumentos de sopro são instrumentos musicais em que o som é produzido pela vibração de uma coluna de ar.
Pastor flautista (Pintura de Sophie Anderson). O comprimento da coluna de ar habilitada pelos dedos define a altura do som. De modo geral, a afinação dos instrumentos de sopro dependem do tamanho dos tubos (quando existentes). Quanto maior é o instrumento, mais baixa é a afinação e mais grave é a sonoridade. Em instrumentos que não possuem tubos, como a gaita, o acordeão e outros instrumentos de palheta livre, a afinação depende do tamanho da palheta.
Um instrumento de sopro funciona pela vibração de uma coluna de ar. Em alguns dos instrumentos esta coluna é contida em um ou mais tubos que servem para definir a altura do som e também para amplificá­lo.
Clarinete: O clarinete ou a clarineta é um instrumento musical de sopro constituído por um tubo cilíndrico de madeira, com uma boquilha cônica de uma única palheta e chaves.
Onda
Uma onda em física é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de onda e a periodicidade no tempo é medida pela freqüência da onda, que é o inverso do seu período. Estas duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda.
Fisicamente uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido ou gasoso). Segundo alguns estudiosos e até agora observado, nada impede que uma onda magnética se propague no vácuo ou através da matéria, como é o caso das ondas eletromagnéticas no vácuo ou dos neutrinos através da matéria onde as partículas do meio oscilam à volta de um ponto médio, mas não se deslocam.
Descrição física de uma onda
λ é chamado de comprimento de onda. y é a amplitude da onda.
Ondas podem ser descritas usando um número de variáveis, incluindo: freqüência, comprimento de onda, amplitude e período.
A amplitude de uma onda é a medida da magnitude de um distúrbio em um meio durante um ciclo de onda. Por exemplo, ondas em uma corda têm sua amplitude expressada como uma distância (metros), ondas de som como pressão (pascals) e ondas eletromagnéticas como a amplitude de um campo elétrico (volts por metro). A amplitude pode ser constante (neste caso a onda é uma onda contínua), ou pode variar com tempo e/ou posição. A forma desta variação é o envelope da onda.
O período é o tempo(T) de um ciclo completo de uma oscilação de uma onda. A freqüência (F) é período dividido por uma unidade de tempo (exemplo: um segundo), e é expressa em hertz.
A velocidade v desta onda é dada por: v=λf, onde λ é o comprimento de onda.
Ondas estacionárias e ondas não­estacionárias
Ondas que permanecem no mesmo lugar são chamadas ondas estacionárias, como as vibrações em uma corda de violino.
Quando uma corda é deformada, a perturbação propaga­se por toda a corda, reflectindo­se nas suas extremidades fixas. Da interferência das várias ondas pode resultar uma onda estacionária, ou seja, um padrão de oscilação caracterizado por sítios (os nodos) onde não há movimento. Os nodos resultam da interferência (destrutiva) entre a crista e o ventre de duas ondas. Nos anti­nodos, onde o deslocamento é máximo, a interferência dá­se entre duas cristas ou dois ventres de onda. Cada padrão de oscilação corresponde a uma determinada freqüência a que se chama um harmónico. As freqüências de vibração variam com o comprimento da corda e com as suas características (material, tensão, espessura), que determinam a velocidade de propagação das ondas. À freqüência mais baixa a que a corda vibra chama­se freqüência fundamental.
Corda a vibrar na freqüência fundamental e no 2º e 3º harmónicos.
Efeito Doppler
O efeito Doppler é uma característica observada nas ondas quando emitidas ou refletidas por um objeto que está em movimento com relação ao observador.
Características
O comprimento de onda observado é maior ou menor conforme sua fonte se afaste ou se aproxime do observador. No caso de aproximação, a freqüência aparente da onda recebida pelo observador fica maior que a freqüência emitida. Ao contrário, no caso de afastamento, a freqüência aparente diminui. Um exemplo típico é o caso de uma ambulância com sirene ligada que passe por um observador. Ao se aproximar, o som é mais agudo e ao se afastar, o som é mais grave. De modo análogo, ao trafegar em uma estrada, o ruído do motor de um automóvel que vem em sentido contrário apresenta­se mais agudo equanto ele se aproxima, e mais grave a partir do momento em que se afasta (após cruzar com o observador).
Como há um movimento, o comprimento de onda varia.
Um experimento simples pode ser feito usando um anel de metal pendurado por um fio, com uma outra barra faz­se o choque produzindo som. Quando movimentamos o anel enquanto ele é soa percebemos uma variação na altura do som, ou seja, ele fica mais grave ou mais agudo.
Batimento
Se duas notas têm frequências ligeiramente diferentes (estão desafinadas), surge um batimento (uma dissonância ­ um som «áspero») que resulta da interferência construtiva e destrutiva das duas ondas quando ficam em fase ou em oposição de fase. Se as duas frequências se forem aproximando, o batimento tornar­se­á gradualmente mais lento e desaparecerá quando elas forem idênticas (uníssono).
Duas frequencias próximas são mostradas. A terceira (de cima para baixo) corresponde a frequencia de batimento (diferença das duas primeiras ondas).
Os resultados da experimentação científica sugerem que o cérebro determina a altura de um som complexo procurando um padrão harmónico entre os seus componentes. O ouvido parece conseguir «calcular» as razões entre as frequências com grande precisão. Se a diferença entre as séries harmónicas de dois sons é demasiado grande, os vários componentes não se fundem e são ouvidos separadamente. Se a separação entre duas notas é reduzida a um tom (por exemplo, um Dó e um Ré), ouve­se uma dissonância ­ um som «áspero».
IMAGEM
Uma sombra é uma região escura formada pela ausência parcial da luz, proporcionada pela existência de um obstáculo. Uma sombra ocupa todo o espaço que está atrás de um objeto com uma fonte de luz em sua frente.
Sombra uma imagem das mais primitivas feitas pelo homem.
Em física o fenômeno da reflexão consiste na mudança da direcção de propagação da energia (desde que o ângulo de incidência não seja 0º). Consiste no retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é oriunda, após entrar em contacto com uma superfície refletora.
A reflexão em um espelho construído por uma civilização pré­colombiana.
Refração ou refracção, de um modo simplificado, é a passagem da luz por meios com diferentes índices de refração. A refração modifica a velocidade da luz, mesmo que a direção permaneça a mesma (caso a luz incida perpendicularmente à superfície).
A esquerda: a refração na água, dando a impressão falsa de profundidade de um recipiente. A direita: uma lente construída por uma civilização pré­colombiana.
Difração é um fenômeno que ocorre com as ondas quando elas passam por um orifício ou contornam um objeto cuja dimensão é da mesma ordem de grandeza que o seu comprimento de onda. Como este desvio na trajetória da onda, causado pela difração, depende diretamente do comprimento de onda, este fenômeno é usado para dividir, em seus componentes, ondas vindas de fontes que produzem vários comprimentos de onda.
A direita: Imagem de linhas coloridas no CD devido a difração. No centro e direita: Borboleta que possui estruturas muito finas em sua asa. Essas estruturas difratam a luz.
Visão Binocular
Visão binocular é a visão que os dois olhos são usados juntos. A palavra "binocular" veio do latim bin para "dois" e oculus para olho. Para ter a noção de profundidade é preciso ter a visão binocular.
Animais que possuem dois olhos na frente: adaptação que ajuda a definir a profundidade. Útil para predadores. A direita, uma foto que exemplifica a imagem que cada olho faz de uma cena. O cérebro faz uma triangulação e reconhece como uma imagem no espaço. Estereoscopia
Estereoscopia é um fenômeno natural que ocorre quando uma pessoa observa uma cena qualquer. A estereoscopia é a simulação de duas imagens da cena que são projetadas nos olhos em pontos de observação ligeiramente diferentes, o cérebro funde as duas imagens, e nesse processo, obtém informações quanto à profundidade, distância, posição e tamanho dos objetos, gerando uma sensação de visão de 3D. Por meio da Estereoscopia é possível a confecção de Cartas Topográficas, num processo chamado Restituição, no qual um operador é capaz, a partir de duas fotografias aéreas, ver a imagem de um terreno em três dimensões, sendo assim capaz de desenhar o que vê num aparelho restituidor.
Animação estereoscópica realizada na unicamp (1995).
Ilusão de óptica
O termo Ilusão de óptica aplica­se a todas ilusões que «enganam» o sistema visual humano fazendo­
nos ver qualquer coisa que não está presente ou fazendo­nos vê­la de um modo erróneo. Algumas são de carácter fisiológico, outras de carácter cognitivo.
As ilusões de óptica podem surgir naturalmente ou serem criadas por astúcias visuais específicas que demonstram certas hipóteses sobre o funcionamento do sistema visual humano. Imagens que causam ilusão de óptica são largamente utilizados nas artes, por exemplo nas obras gráficas de M. C. Escher.
É possível sempre subir uma escada?
Conte os pontos pretos
As espirais estão se movendo?
Efeito Pulfrich
O fenômeno consiste na percepção de um efeito estereoscópico quando se observa uma imagem em movimento horizontal sobre um plano e com um filtro escuro situado diante de um dos olhos. Devido a esta diminuição de luminosidade, percepcionada pelo olho, a imagem chega ao cérebro com um atraso de umas centésimas de segundo. É precisamente esta diferença de tempo que permite a sensação estereoscópica.
Foto de uma animação2 onde nosso cérebro faz diferentes interpretações do sentido de rotação da figura. Como é uma imagem bidimensional (2D), nosso cérebro tenta interpretá­la como uma imagem 3D definindo uma solução para a situação de ambiguidade. O alto contraste da figura ajuda no efeito. Atenuar a visão de um dos olhos também.
INFORMAÇÃO
Audacity
Audacity é um software livre de edição digital de áudio. O código fonte do Audacity está sob a licença GNU General Public License. A sua interface gráfica foi produzida utilizando­se de bibliotecas do wxWidgets.
O Audacity é muito popular entre os podcasters pela sua grande disponibilidade em múltiplas plataformas, suporte e o preço: gratuito.
Foto de uma imagem do editor audacity
2 http://br.geocities.com/dsouzafm/Pulfrich.gif
Mixagem
No processo de armazenamento de áudio, Mixagem é o balanço dos volumes de cada instrumento ou voz que foi previamente gravado. A mixagem também pode ser realizada em apresentações ao vivo. O objetivo é obter um equilíbrio entre o volume de todos os componentes de forma a que todos possam ser ouvidos claramente, sem que no entanto encubram uns aos outros. A mixagem é feita geralmente pelo Engenheiro de som ou pelo sonoplasta. O processo de mixagem basicamente se compoe da lei que diz que dois objetos nao podem ocupar o mesmo espaço, portando se voce tem um baixo e uma guitarra para mixar a intencao e coloca­los numa determinada frequencia ou volume de forma que os dois instrumentos estejam audiveis sem que nenhum sobreponha o outro.
Edição de Vídeo
Edição de vídeo é o processo de corte e montagem de filmes em meio analógico (edição linear) ou digital (edição não linear). Este processo é necessário pois, ao contrário do que acontece em peças de teatro, os filmes normalmente são gravados em partes, divididos por cenas ou tomadas que são feitas diversas vezes e por diferentes ângulos. A edição de vídeo consiste em decidir que tomadas usar, quais são as melhores e uní­las na sequência desejada. Pode­se inclusive montar as sequências fora da ordem cronológica de gravação ou do próprio tempo do filme. Editar um filme ou vídeo não se limita a escolher as melhores cenas, é nesta fase da produção que são inseridos efeitos especiais, trilhas sonoras e legendas. Caixa Acústica
Caixa acústica, ou sonofletor, ou coluna (Portugal) é uma caixa construída em volta de um alto­falante para melhorar sua reprodução sonóra. Geralmente a caixa é construída em madeira ou plástico com uma abertura para se instalar o(s) alto­falante(s).
A finalidade desse aparato é impedir que se misturem as ondas sonoras dianteiras e traseiras emitidas pelos alto­falantes, o que causa interferência destrutiva e anula o som. No entanto, também são usadas para melhorar a acústica da reprodução sonóra tanto em resposta em freqüência quanto em tempo de resposta.
As caixas acústicas normalmente possuem mais de um alto­
falante no intuito de cobrir melhor todas as faixas de freqüências audíveis (em torno de 20Hz a 20kHz para seres humanos). As unidades pequenas são chamadas de tweeters e são responsáveis pelos sons agudos. As unidades de média freqüência são chamadas de mid­ranges e as de freqüências graves de woofer.
Para otimizar o funcionamento de cada tipo de alto­falante, o sinal que chega à caixa passa por um circuito divisor de freqüências (crossover em inglês), uma espécie de filtro eletrônico que distribui o espectro sonóro adequadamente entre as diversas unidades. Assim, após esse filtro somente os agúdos são passados para os tweeters, os médios para os mid­ranges e somente os graves para os woofers.
Para audição em aparelhos de som de alta fidelidade são usadas caixas acústicas aos pares para obter o efeito da estereofonia. Em cinemas e home­theaters são usados múltiplas caixas acústicas para obter o efeito de surround.
Disco Rígido
Disco rígido ou disco duro, popularmente também HD (do inglês Hard Disk; o termo "winchester" há muito já caiu em desuso), é a parte do computador onde são armazenadas as informações, ou seja, é a "memória permanente" propriamente dita (não confundir com "memória RAM"). É caracterizado como memória física, não­volátil, que é aquela na qual as informações não são perdidas quando o computador é desligado.
Disco rígido aberto
O disco rígido é um sistema lacrado contendo discos de metal recobertos por material magnético onde os dados são gravados através de cabeças, e revestido externamente por uma proteção metálica que é presa ao gabinete do computador por parafusos. É nele que normalmente gravamos dados (informações) e a partir dele lançamos e executamos nossos programas mais usados.
Este sistema é necessário porque o conteúdo da memória RAM é apagado quando o computador é desligado. Desta forma, temos um meio de executar novamente programas e carregar arquivos contendo os dados da próxima vez em que o computador for ligado. O disco rígido é também chamado de memória de massa ou ainda de memória secundária. Nos sistemas operativos mais recentes, o disco rígido é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de memória virtual.
Como os dados são gravados e lidos
Os discos magnéticos de um disco rígido são recobertos por uma camada magnética extremamente fina. Na verdade, quanto mais fina for a camada de gravação, maior será sua sensibilidade, e conseqüentemente maior será a densidade de gravação permitida por ela. Poderemos então armazenar mais dados num disco do mesmo tamanho, criando HDs de maior capacidade.
Os primeiros discos rígidos, assim como os discos usados no início da década de 80, utilizavam a mesma tecnologia de mídia magnética utilizada em disquetes, chamada coated media, que além de permitir uma baixa densidade de gravação, não é muito durável. Os discos atuais já utilizam mídia laminada (plated media); uma mídia mais densa, de qualidade muito superior, que permite a enorme capacidade de armazenamento dos discos modernos.
A cabeça de leitura e gravação de um disco rígido funciona como um eletroímã semelhante aos que estudamos nas aulas de ciências do primário, sendo composta de uma bobina de fios que envolvem um núcleo de ferro. A diferença é que num disco rígido, este eletroímã é extremamente pequeno e preciso, a ponto de ser capaz de gravar trilhas medindo menos de um centésimo de milímetro.
Quando estão sendo gravados dados no disco, a cabeça utiliza seu campo magnético para organizar as moléculas de óxido de ferro da superfície de gravação, fazendo com que os pólos positivos das moléculas fiquem alinhados com o pólo negativo da cabeça e, conseqüentemente, com que os pólos negativos das moléculas fiquem alinhados com o pólo positivo da cabeça. Usamos neste caso a velha lei “os opostos se atraem”.
Como a cabeça de leitura e gravação do HD é um eletroímã, sua polaridade pode ser alternada constantemente. Com o disco girando continuamente, variando a polaridade da cabeça de gravação, variamos também a direção dos pólos positivos e negativos das moléculas da superfície magnética. De acordo com a direção dos pólos, temos um bit 1 ou 0.
Para gravar as seqüências de bits 1 e 0 que formam os dados, a polaridade da cabeça magnética é mudada alguns milhões de vezes por segundo, sempre seguindo ciclos bem determinados. Cada bit é formado no disco por uma seqüência de várias moléculas. Quanto maior for a densidade do disco, menos moléculas serão usadas para armazenar cada bit e teremos um sinal magnético mais fraco. Precisamos então de uma cabeça magnética mais precisa.
Quando é preciso ler os dados gravados, a cabeça de leitura capta o campo magnético gerado pelas moléculas alinhadas. A variação entre os sinais magnéticos positivos e negativos gera uma pequena corrente elétrica que caminha através dos fios da bobina. Quando o sinal chega na placa lógica do HD, ele é interpretado como uma seqüência de bits 1 e 0.
Vendo desta maneira, o processo de armazenamento de dados em discos magnéticos parece ser simples, e realmente era nos primeiros discos rígidos (como o 305 RAMAC da IBM), que eram construídos de maneira praticamente artesanal. Apesar de nos discos modernos terem sido incorporados vários aperfeiçoamentos, o processo básico continua sendo o mesmo.
Curso para TEIA DO SABER, Ensino Médio III – Campinas – 01/12/07 Profs. José J. Lunazzi e Daniel S.F. Magalhães
Equi pamentos Elétricos e Telecomunicações
Eletricidade e carga elétrica
A eletricidade é um fenômeno físico originado por cargas elétricas estáticas ou em movimento e por sua interação. Quando uma carga se encontra em repouso, produz forças sobre outras situadas à sua volta. Se a carga se desloca, produz também campos magnéticos. Há dois tipos de cargas elétricas, chamadas positivas e negativas. As cargas de nome igual (mesmos sinais) se repelem e as de nome distinto (sinais diferentes) se atraem.
A eletricidade se origina da interação de certos tipos de partículas sub­atômicas. A partícula mais leve que leva carga elétrica é o elétron, que assim como a partícula de carga elétrica inversa à do elétron, o próton, transporta a unidade fundamental de carga (1,60217646x10− 19C), cargas elétricas de valor menor são tidas como inexistentes em sub partículas atômicas como os quarks.
Os átomos em circunstâncias normais contêm elétrons, e freqüentemente os que estão mais afastados do núcleo se desprendem com muita facilidade. Em algumas substâncias, como os metais, proliferam­se os elétrons livres. Desta maneira, um corpo fica carregado eletricamente graças à reordenação dos elétrons.
Um átomo normal tem quantidades iguais de carga elétrica positiva e negativa, portanto é eletricamente neutro. A quantidade de carga elétrica transportada por todos os elétrons do átomo, que por convenção são negativas, está equilibrada pela carga positiva localizada no núcleo. Se um corpo contém um excesso de elétrons ficará carregado negativamente. Ao contrário, com a ausência de elétrons, um corpo fica carregado positivamente, devido ao fato de que há mais cargas elétricas positivas no núcleo.
Eletricidade é a passagem de elétrons em um condutor. Bons condutores são na grande maioria da família dos metais: ouro, prata e alumínio, assim como alguns novos materiais de propriedades físicas alteradas que conduzem energia com a mínima perca de energia denominados supercondutores. Já a porcelana, o plástico, o vidro e a borracha são bons isolantes. Isolantes são materiais que não permitem o fluxo da eletricidade.
A eletricidade em sua manifestação natural mais imponente: o raio
Eletrostática
A eletrostática (do grego elektron + statikos, estacionário) é o ramo da eletricidade que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso, ou que estuda os fenômenos do equilíbrio da eletricidade nos corpos que de alguma forma se tornam carregados de carga elétrica, ou eletrizados.
Princípios:
Princípio da conservação da carga elétrica: Num sistema eletricamente isolado, é constante a soma algébrica das cargas elétricas.
Princípio da atração e repulsão de cargas: Cargas de mesmos sinais se repelem e cargas de sinais opostos se atraem.
O estudo científico da eletrostática é dividido em três partes. São elas: atrito, contato e indução. O fenômeno eletrostático mais antigo conhecido é o que ocorre com o âmbar amarelo no momento em que recebe o atrito e atrai corpos leves.
Tales de Mileto, no século VI a.C., já conhecia o fenômeno e procurava descrever o efeito da eletrostática no âmbar. Também os indianos da antiguidade aqueciam certos cristais que atraiam cinzas quentes atribuindo ao fenômeno causas sobrenaturais. O fenômeno porém, permaneceu através dos tempos apenas como curiosidade.
No século XVI, Gilbert utilizou a palavra "eletricidade", esta derivada da palavra grega elektron que era o nome que os gregos davam ao âmbar. Gilbert reconheceu que a propriedade eletrostática não era restrita ao âmbar amarelo, mas que diversas outras substâncias também o manifestavam, entre estas diversas resinas, vidros, o enxofre, entre outros compostos sólidos. Através do fenômeno da eletrostática nos sólidos, observou­se a propriedade dos materiais isolantes e condutores.
Otto von Guericke inventou o primeiro dispositivo gerador de eletricidade estática, este era constituído de uma esfera giratória composta de enxofre com o qual foi conseguida a primeira centelha elétrica através de máquinas.
Gray, em 1727, notou que os condutores elétricos poderiam ser eletrizados desde que estivessem isolados. Du Fay descobriu que existiam dois tipos de eletricidade, a vítrea, e a resinosa, a primeira positiva e a segunda negativa.
Petrus Van Musschenbroek em 1745 descobriu a condensação elétrica ao inventar a garrafa de Leyden, o primeiro capacitor, que permitiu aumentar os efeitos das centelhas elétricas.
Benjamin Franklin, com sua experiência sobre as descargas atmosféricas, demonstrou o poder das pontas inventando o pára­raios, porém foi Coulomb quem executou o primeiro estudo sistemático e quantitativo da estática demonstrando que as repulsões e atrações elétricas são inversamente proporcionais ao quadrado da distância, em 1785. Descobriu ainda o cientista, que a eletrização ocorrida nos condutores é superficial.
Os resultados obtidos por Coulomb foram retomados e estudados por Laplace, Poisson, Biot, Gauss e Faraday.
Eletrostática por atrito: caneta e papelzinhos, pedaço de nailon com cortes
Esfrega­se a caneta no pedaço de nailon e em seguida é possível pegar os pedaços de papéis. Isso ocorre porque ao esfregar a caneta no pedaço de nailon gera­se uma força eletrostática e com a qual é possível pegar os papéis.
Eletrização da caneta
Resistência Elétrica
Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica pelo mesmo, quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms.
Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas definiram uma grandeza que denominaram resistência elétrica.
Fatores que influenciam no valor de uma resistência:
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A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento. A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção reta, isto é, quanto mais fino for o condutor. A resistência de um condutor depende do material de que ele é feito. Associação de resistores e estudo da 2ª lei de Ohm, através de riscos de grafite em uma folha.
Neste experimento observa­se que quando depositamos grafita num papel obtemos um resistor, que na qual, tem características de dificultar a passagem dos elétrons.
Aparato experimental dos elementos
Campo elétrico
Um campo elétrico é o campo de força provocado por cargas elétricas ou por um sistema de cargas. Cargas elétricas num campo elétrico estão sujeitas a uma força elétrica.
Da mesma forma como o espaço ao redor de um planeta ou de outros corpos massivos está preenchido por um campo gravitacional, o espaço ao redor de cada corpo eletricamente carregado está também preenchido por um campo elétrico – uma espécie de aura que se estende através do espaço.
Satélite
Elétron
Campo
Elétrico
Planeta
Próton
Comparação entre o campo gravitacional e o campo elétrico. Campo magnético
Um campo magnético é o campo produzido por um ímã ou por cargas elétricas em movimento. Linhas de força de um campo magnético de um ímã
Solenóide para ver as linhas de campo (experimento)
Este experimento consiste basicamente em mostrar a ação do campo magnético produzido por um solenóide finito sobre um corpo de prova com propriedades ferromagnéticas, quando o mesmo encontra­se suspenso em meio líquido com o auxílio de um outro material com densidade menor. Quando a fonte de tensão é ligada, a corrente que circula através da bobina cria um campo magnético no seu interior, magnetizando o pino metálico na mesma direção deste campo (já que o material do qual é feito o pino, possui propriedades ferromagnéticas). O corpo de prova então, irá se comportar como um pequeno ímã que será atraído para o centro da bobina, ou seja, irá afundar na água. Força entre correntes
Neste experimento verifica­se que quando as correntes possuem mesmo sentido as fitas de uma das garrafas se atraem, enquanto que quando as correntes possuem sentidos opostos as fitas se repelem. Isso acontece porque a corrente que passa pelo fio 1 na garrafa gera um campo magnético B1 e com esse o fio 2 da garrafa gera uma força de atração ou repulsão segundo o sentido das correntes.
Em outro experimento de outra garrafa tem um fio único que quando colocado verticalmente sofre um desvio lateral para um lado ou para outro segundo o sentido da corrente. Encontrando a direção do campo magnético terrestre por meio de uma bússola descobre­se que o movimento do fio é sempre perpendicular a ele.
Experimento que permite visualizar força entre correntes.
Globo de plasma
Consiste de uma esfera de vidro, que quando ligada à energia elétrica, produz faiscamento de seu núcleo em direção ao exterior. Apresentação: o globo de plasma possui uma parte eletrônica e uma parte que se dá pelo globo em si. Este é evacuado e em seguida recebe um pouco de gás neônio ou
argônio. Então assim temos uma atmosfera rarefeita de baixíssima pressão, o que possibilita o uso de campos elétricos não muito intensos. A parte eletrônica se encarrega de gerar a alta tensão, de baixa corrente e alta freqüência (que irá "proteger" o usuário), para a ionização do gás. A ionização do gás é o que faz o faiscamento visível. No centro do globo há também um pequeno núcleo de vidro que será a via entre a atmosfera do globo e a alta tensão. Como o globo de vidro está sob o potencial elétrico do solo, os raios luminosos tendem a ir nessa direção.
Globo de Plasma
Motor Elétrico
Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia elétrica ­ baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.
A tarefa reversa, aquela de converter o movimento mecânico na energia elétrica, é realizada por um gerador ou por um dínamo. Em muitos casos os dois dispositivos diferem somente em sua aplicação e detalhes menores de construção. Os motores de tração usados em locomotivas executam freqüentemente ambas as tarefas se a locomotiva for equipada com os freios dinâmicos. Normalmente também esta aplicação se dá a caminhões fora de estrada.
Motores elétricos
Motor elétrico (experimento)
Neste experimento verifica­se o funcionamento de um motor elétrico, o qual funciona pela passagem de corrente elétrica numa bobina e essa influencia no movimento dos ímãs, gerando uma força de atração ou repulsão num material magnético.
Experimento didático que mostra o funcionamento de um motor elétrico.
Indução eletromagnética
A indução eletromagnética é o fenômeno que origina a produção de uma força eletromotriz (f.e.m. ou voltagem) num meio ou corpo exposto a um campo magnético variável, ou bem num meio móvel exposto a um campo magnético estático. É assim que, quando o dito corpo é um condutor, produz­se uma corrente induzida. Este fenômeno foi descoberto por Michael Faraday que o expressou indicando que a magnitude da voltagem induzida é proporcional à variação do fluxo magnético (Lei de Faraday).
Por outro lado, Heinrich Lenz comprovou que a corrente devida ao f.e.m. induzida se opõe à mudança de fluxo magnético, de forma tal que a corrente tende a manter o fluxo. Isto é válido tanto para o caso em que o a intensidade do fluxo varie, ou que o corpo condutor se mova em relação a ele.
Indução eletromagnética é o princípio fundamental sobre o qual operam transformadores, geradores, motores elétricos e a maioria das demais máquinas elétricas.
Anéis de Thompson
Levitação de um anel metálico por um eletromagneto é uma demonstração fascinante, além de um experimento comum nos cursos de graduação em grandes universidades em todo o mundo. O aparato utilizado é chamado anel de Thomson. Um anel condutor (normalmente cobre ou alumínio) é colocado sobre uma bobina com um núcleo de ferrite. Quando uma corrente AC passa através do solenóide o anel irá saltar e, se inicialmente resfriado em nitrogênio líquido, o efeito é amplificado devido à diminuição da resistência elétrica, de tal forma que deve­se tomar cuidado para que não atinja o teto. O anel funciona como um transformador no qual a bobina secundária consiste em
apenas uma volta de fio – de fato, um anel metálico. Quando a bobina primária é conectada através de uma fonte AC, a corrente induzida no anel secundário é alta e um forte campo magnético é gerado em volta dele. Pela lei de Lenz, o campo magnético gerado no anel secundário se opõe àquele produzido pela bobina primária, e o anel é repelido fortemente.
Bobina enrolada sobre núcleo de ferro e anéis utilizados no experimento.
Quase Levitação
Coloca­se o HD p/ girar e quando isso ocorre o imã que estava em cima do HD fica sobressaído dando a impressão de levitação.
Disco rígido rodando e imã
Efeito Branly
O Efeito Branly é conhecido há mais de cem anos pela comunidade científica, e ainda assim não há um consenso sobre as causas que levam ao fenômeno. Isso pode se dever ao fato de o efeito ter sido esquecido por muitas décadas, por conta de outras descobertas na área, vindo a ser retomado apenas nos anos sessenta. Desde então, algumas hipóteses foram levantadas para explicá­lo. Ainda que a ciência esclareça como um circuito eletromagnético pode produzir e receber ondas eletromagnéticas, a dificuldade permanece, uma vez considerada a surpreendente alta sensibilidade do sistema a perturbações elétricas e mecânicas.
Circuito simples usado no efeito Branly
Telecomunicação
Telecomunicações é a transmissão, emissão ou recepção, por fio, radioeletricidade, meios ópticos ou qualquer outro processo eletromagnético, de símbolos, caracteres, sinais, escritos, imagens, sons ou informações de qualquer natureza.
Comunicação é o processo pelo qual uma informação gerada em um ponto no espaço e no tempo chamado fonte é transferida a outro ponto no espaço e no tempo chamado destino.
Telecomunicação, é uma forma de estender o alcance normal da comunicação (tele em grego significa "distância") e a palavra comunicação deriva do latim communicare, que significa "tornar comum", "partilhar", "conferenciar".. Quando o destino da informação está próximo da fonte, a transmissão é direta e imediata, tal como se processa a conversação entre duas pessoas num mesmo ambiente. Quando a distância entre elas aumenta, no entanto, o processo de comunicação direta se torna mais difícil. Há então a necessidade de um sistema de telecomunicação ­ um conjunto de meios e dispositivos que permita a fonte e destino se comunicarem a distância.
Rádio
A radiocomunicação é um meio de comunicação por transcepção de informação, podendo ser transmitida por Radiação eletromagnética que se propaga através do espaço.
Uma estação de radiocomunicação é o sistema utilizado para executar contatos à distância entre duas estações, é composta basicamente de um transceptor (transmissor­receptor) de radiocomunicação, de uma linha de transmissão, e da antena propriamente dita, a este sistema se dá o nome de sistema irradiante.
No caso emissão comercial, sem transcepção de sinais, somente transmissão, esta modalidade é definida como radiodifusão.
História
Segundo alguns autores, a tecnologia de transmissão de som por ondas de rádio foi desenvolvida pelo italiano Marconi, no fim do século XIX. Outros advogam que foi desenvolvida pelo sérvio Nikola Tesla.
Na mesma época em 1893, no Brasil, um padre chamado Roberto Landell de Moura também buscava resultados semelhantes, em experiências feitas em São Paulo.
As invenções como telefone (por Alexander Graham Bell ou Antonio Meucci), o fonógrafo (por Thomas Edison), o microfone (em 1877, por Émile Berliner), o circuito elétrico sintonizado (em 1897, por Oliver Lodge) e as próprias ondas de rádio (em 1887, por Heinrich Rudolph Hertz) deitaram o terreno que possibilitou a criação de um novo meio de comunicação.
As primeiras radioemissões
O início da história do rádio foi marcado pelas transmissões radiofônicas , sendo a transcepção utilizada quase na mesma época. Consideram alguns que a primeira transmissão radiofônica do mundo foi realizada em 1906, nos EUA por Lee de Forest experimentalmente para testar a válvula tríodo
Rádio de 1936, em madeira, AM e Ondas Curtas.
Receptor
A função do radioreceptor é a decodificação dos sinais eletromagnéticos recebidos do espaço, captados pela antena, transformando­os em ondas sonoras, sinais digitais e/ou analógicos. A televisão e o rádio automotivo, por exemplo, são receptores.
O equipamento é conectado a uma antena receptora, um sistema de sintonia e amplificadores de áudio, vídeo e/ou sinais digitais.
Transmissor
O radiotransmissor converte sinais sonoros, analógicos ou digitais em ondas eletromagnéticas, enviando­os para o espaço através de uma antena transmissora, para serem recebidos por um radioreceptor, por exemplo, emissoras de AM, FM ou de TV Além do LW.
Transceptor
O radio­transceptor, funciona das duas formas, como transmissor e receptor, alguns exemplos de transceptor são, o telefone celular, os radares nos aeroportos, os equipamentos de comunicações em veículos oficiais, e de empresas particulares.
Rádio de Galena
O rádio de galena é um dos receptores mais simples de modulação AM que se pode construir. Ele utiliza as propriedades semicondutoras do mineral galena, um dos primeiros semicondutores utilizados, ou seja, antes do germânio e silício. Ele demanda uma antena de grande extensão (tipicamente 15 m de fio cru, um circuito ressonante, formado por uma bobina em um capacitor onde um deles é variável (vide indutor variável e capacitor variável sintonizado na freqüência AM de interesse, passando por um circuito retificador (formado pelo diodo de galena) associado com um circuito "passa­baixa" do tipo RC (resistor­capacitor), que filtra as altas freqüências. O sinal, sintonizado, retificado e filtrado é transmitido diretamente a um transdutor de alta impedância do tipo transdutor de cristal como monofone (alto­falante). O rádio de galena não necessita uma fonte de energia externa para produzir um som audível no monofone: toda a energia é captada pela antena de grandes dimensões, tipicamente de 1/2, 1/4 e 1/8 do comprimento de onda a ser sintonizado.
Galena
Circuito de construção de um rádio de galena. Formado apenas por elementos simples: C capacitor, D diodo, L indutor, Antena
Telefone
O telefone é um dispositivo de telecomunicações desenhado para transmitir sons por meio de sinais elétricos.
O dispositivo foi inventado por volta de 1860 por Antonio Meucci que o chamou teletrofone, como reconheceu o Congresso dos Estados Unidos na resolução 269, de 15 de junho de 2002. Há muita controvérsia sobre a invenção do telefone, sendo esta geralmente atribuída a Alexander Graham Bell. A primeira demonstração pública registrada da invenção de Meucci teve lugar em 1860, e teve sua descrição publicada num jornal de língua italiana de Nova Iorque.
É definido como um aparelho eletroacústico que permite a transformação, no ponto transmissor, de energia acústica em energia elétrica e, no ponto receptor, teremos a transformação da energia elétrica em acústica, permitindo desta forma a troca de informações entre dois ou mais assinantes. É lógico que, para haver êxito nessa comunicação, os aparelhos necessitam estar ligados a vários equipamentos, que formam uma central telefônica.
Modelo antigo de telefone fixo
Como funciona o telefone celular
Ao fazer uma chamada pelo telefone celular, um sinal é emitido pelo aparelho e captado pela Estação Rádio Base mais próxima. Esta, por sua vez, se comunica com a Central de Comutação e Controle, que através de antenas direciona o sinal para a central do número chamado. É a troca de sinais entre essas antenas que garante a conversação sem perda de sinal, mesmo quando os clientes estão em trânsito ou dentro de túneis.
O sistema celular se interliga à rede pública de telefonia, tornando possível as chamadas de um aparelho celular para um telefone fixo. Graças aos acordos de roaming entre as operadoras do Brasil e de outros países, o usuário de celular no Brasil pode falar do seu celular para qualquer parte do mundo.
O controle de emissão eletromagnética de um sistema celular é regulamentada com base na resolução Nº 303 da Anatel, de julho de 2002, que impoe os limites para exposição a campos eletromagnéticos gerados pelo aparelho celular e pela Estação Rádio­Base.
Nos celulares a taxa de absorção da energia pelo corpo em watt por quilograma (SAR) foi limitada a uma valor máximo de 2 watts/kg. Já para as Estações Rádio­Base, a densidade de potência das antenas respeita os seguintes limites de segurança:
4,5 watts por m², na freqüência de 900 MHz
4 watts por m², na freqüência de 800 MHz
9 watts por m², na freqüência de 1,8 Mhz
As estações rádio­base transmitem as informações na faixa de freqüência da televisão. TV a cabo e Internet de banda larga por cabo coaxial, bem como certas redes de telefonia celular móvel, também usam as freqüências mais baixas das microondas (comprimento de onda da ordem de 10cm).
Microondas
Microondas (também designadas SHF ­ Super High Frequency) são ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda maiores que os dos raios infravermelhos, mas menores que o comprimento de onda das ondas de rádio variando, consoante os autores, de 10cm (3 GHz de freqüência) até 1mm (30 GHz de freqüência).