14. Linhas de força

QUANDO EU ERA BEM PEQUENO, cava fascinado com a eletricidade “de atrito”, como a que fazia o âmbar, quando friccionado, atrair pedacinhos de papel; quando voltei de Brae eld, comecei a ler sobre “máquinas elétricas” — discos ou globos de algum material não condutor, girados por uma manivela e esfregados na mão, num pedaço de tecido ou em algum tipo de almofada — que geravam fortes faíscas ou choques de eletricidade estática. Parecia fácil fazer uma máquina assim tão simples; em minha primeira tentativa de fabricar uma, usei um disco velho de gramofone. Na época, aqueles discos eram feitos de vulcanite e se eletri cavam com facilidade; só havia um problema: eles eram nos e frágeis, muito quebradiços. Para minha segunda máquina, mais resistente, usei uma placa de vidro espessa e uma almofada revestida de couro e coberta com amálgama de zinco. Eu conseguia produzir belas faíscas com ela, faíscas de quase três centímetros, quando o tempo estava seco. (Nada funcionava com tempo úmido, quando tudo se tornava condutor.)

A máquina elétrica podia ser conectada a um jarro de Leyden, que era, basicamente, um jarro de vidro revestido com folha de estanho por dentro e por fora, com uma bola de metal no topo ligada à folha do lado interno por uma corrente de metal. Quando vários jarros desse tipo eram conectados uns aos outros, podiam conter uma carga formidável. Li que foi com uma “bateria” de jarros de Leyden desse tipo que, no século XVIII, fez-se um experimento que aplicou um choque quase paralisante em uma linha de oitocentos soldados de mãos dadas.

Também consegui uma pequena máquina de Wimshurst, um belo objeto com discos giratórios de vidro e setores de metal radiante capazes de produzir fortes faíscas de até dez centímetros de comprimento. Quando as placas da máquina de Wimshurst giravam depressa, tudo em volta se tornava altamente carregado: os puxadores de cortinas se eletri cavam, cando com os os arrepiados; as borlas se afastavam velozmente, e nossa pele sentia a eletricidade. Se havia algum objeto pontudo por perto, a eletricidade uía dele em um facho luminoso, que lembrava o fogo de santelmo dos mastros de navio em dias de tempestade, e podíamos apagar velas com o “vento elétrico” produzido, ou mesmo usá-lo para fazer girar um pequeno rotor em seu eixo. Usando um simples banquinho isolante — uma prancha de madeira apoiada em quatro copos de vidro —, consegui eletri car meus irmãos e fazer seus cabelos carem em pé. Esses experimentos demonstraram o poder repulsivo das cargas elétricas, pois cada o do puxador de cortina, cada o de cabelo adquiriam a mesma carga (ao passo que minha primeira experiência, com âmbar friccionado e pedaços de papel, mostrara o poder de atração de corpos eletricamente carregados). Opostos se atraíam, iguais se repeliam.

Eu quis saber se era possível usar a eletricidade estática da máquina de Wimshurst para acender uma das lâmpadas do tio Dave. Meu tio não respondeu, mas me deu um pedaço de o muito no feito de prata e ouro, com uma espessura de apenas três centésimos de polegada. Quando conectei as bolas de latão da máquina de Wimshurst a um pedaço de quase oito centímetros de comprimento do o de prata posto sobre um papelão, o o explodiu assim que acionei a manivela, deixando um desenho estranho no papelão. E quando tentei fazer o mesmo com o

o de ouro, ele se vaporizou instantaneamente, transformando-se em

um vapor vermelho, ouro gasoso. Esses experimentos deixaram-me com a impressão de que a eletricidade de atrito podia ser algo tremendo — mas que era violenta demais, intratável demais para ser útil.

Atração eletroquímica, para Davy, era a atração de opostos — por exemplo, a atração de um íon metálico fortemente “positivo”, um cátion como o sódio, por um intensamente “negativo”, um ânion como o cloro. Mas a maioria dos elementos, Davy julgava, cava a meio caminho entre esses dois extremos, em uma escala contínua de eletropositividade ou negatividade. O grau de eletropositividade entre os metais condizia com sua reatividade química, o que explicava sua capacidade de reduzir ou substituir elementos menos positivos.

Esse tipo de substituição, sem nenhuma noção clara de seu fundamento lógico, fora explorado pelos alquimistas na produção de revestimentos metálicos ou “árvores”. Essas árvores eram feitas inserindo-se um bastão de zinco, por exemplo, em uma solução de outro sal metálico (como um sal de prata). Isso resultava em um deslocamento da prata pelo zinco, e a prata metálica precipitava-se da solução com a aparência de uma estrutura arborescente brilhante, quase fractal. (Os alquimistas haviam dado a essas árvores nomes míticos: a árvore de prata foi chamada de Arbor Dianae, a de chumbo, Arbor Saturni, e a de

estanho, Arbor Jovis.)1

Cheguei a ter esperança de fazer árvores desse tipo com todos os elementos metálicos — árvores de ferro e cobalto, de bismuto e níquel, de ouro, de platina, de todos os metais do grupo da platina, de cromo e molibdênio e (obviamente!) de tungstênio; mas várias considerações (notavelmente o custo proibitivo dos sais de metais preciosos) limitaram-me a cerca de uma dúzia dos elementos básicos. Mas o puro prazer estético — não havia árvores iguais; elas eram tão diferentes, mesmo as feitas com um mesmo metal, quanto ocos de neve ou cristais de gelo, e diferentes metais, podia-se ver, depositavam-se de maneiras diferentes — logo deu lugar a um estudo mais sistemático. Quando um metal levava outro a depositar-se? E por quê? Usei um bastão de zinco, inserindo-o primeiro em uma solução de sulfato de cobre, e obtive uma esplêndida incrustação, um revestimento de cobre, em toda a volta do bastão. Experimentei a seguir com sais de estanho, sais de chumbo e sais de prata, inserindo um bastão de zinco nessas substâncias e obtendo árvores brilhantes e cristalinas de estanho, chumbo e prata. Mas quando tentei fazer uma árvore de zinco inserindo um bastão de cobre em uma solução de sulfato de zinco, nada aconteceu. O zinco era, claramente, o metal mais ativo, e assim podia substituir o cobre, mas não ser substituído por ele. Para fazer uma árvore de zinco, era preciso usar um metal ainda mais ativo que o zinco — descobri que um bastão de magnésio funcionava bem. Ficou claro que todos esses metais realmente formavam uma espécie de série.

O próprio Davy foi pioneiro no uso do deslocamento eletroquímico para proteger os fundos de cobre dos navios da corrosão da água marinha, xando neles placas de metais mais eletropositivos (como ferro ou zinco) para que estes fossem corroídos em vez do cobre, a chamada proteção catódica. (Embora isso parecesse funcionar a contento em condições de laboratório, não funcionou bem no mar, pois as novas placas de metal atraíam cracas — por isso, a sugestão de Davy foi ridicularizada. Mesmo assim, o princípio da proteção catódica era brilhante, e por m se tornou, após a morte de Davy, o modo mais comum de proteger o fundo das embarcações oceânicas.)

Ler sobre Davy e seus experimentos estimulou-me a fazer diversos outros experimentos eletroquímicos: coloquei um prego de ferro na água e xei nele um pedaço de zinco para protegê-lo da corrosão. Poli as colheres de prata de minha mãe colocando-as em um prato de alumínio com uma solução morna de bicarbonato de sódio. Minha mãe gostou tanto que decidi ir além e tentar uma eletrogalvanização, usando cromo como o ânodo e uma variedade de objetos domésticos como o cátodo. Revesti de cromo tudo o que me caiu nas mãos — pregos de ferro, pedaços de cobre, tesouras e (dessa vez minha mãe não gostou nada) uma das colheres de prata que eu tinha polido.

De início não percebi que havia uma relação entre esses experimentos e as baterias com que eu estava brincando na mesma época, embora achasse uma estranha coincidência o fato de o primeiro par de metais que usei, zinco e cobre, poder produzir uma árvore ou, em uma bateria, uma corrente elétrica. Creio que só quando li que, para obter uma voltagem maior, as baterias usavam metais mais nobres como prata e platina, comecei a me dar conta de que as duas séries — a série de “árvores” e a série de Volta — eram provavelmente a mesma, que a atividade química e o potencial elétrico eram, em certo sentido, o mesmo fenômeno.

Tínhamos na cozinha uma grande bateria antiga, uma pilha hidrelétrica, ligada a uma campainha elétrica. A campainha, a princípio, era complicada demais de entender, e a bateria, a meu ver, era mais imediatamente interessante, pois continha um tubo de cerâmica com um robusto cilindro de cobre brilhante no meio, imerso em um líquido azulado; tudo isso cava dentro de um estojo de vidro, também cheio de líquido, que continha uma barra de zinco mais na. Parecia uma espécie de fábrica química em miniatura, e pensei ter visto, algumas vezes, bolhinhas de gás saindo do zinco. Essa pilha de Daniell (como era chamada) tinha uma aparência perfeitamente vitoriana, de uma coisa do século XIX, e o extraordinário objeto estava produzindo eletricidade inteiramente sozinho — não por fricção de atrito, mas apenas graças às suas próprias reações químicas. O fato de aquela ser uma fonte inteiramente diferente de eletricidade, não de atrito e nem estática, mas um tipo absolutamente diferente de eletricidade, deve ter parecido espantoso, uma nova força da natureza, quando Volta a descobriu em 1800. Anteriormente havia apenas as descargas fugazes, as faíscas e os lampejos da eletricidade de atrito; e então passou a ser possível ter à disposição uma corrente constante, uniforme, invariável. Bastavam apenas dois metais diferentes — cobre e zinco serviam, ou cobre e prata (Volta registrou toda uma série de metais que diferiam entre si na “voltagem”, ou diferença de potencial) — imersos em um meio condutor.

Nas primeiras baterias que eu mesmo z utilizei frutas ou hortaliças — com eletrodos de cobre e zinco espetados em uma batata ou limão podia-se obter corrente elétrica su ciente para acender uma minúscula lâmpada de 1 volt. E se ligássemos meia dúzia de limões ou batatas uns aos outros (em uma série, para obter uma voltagem mais elevada, ou paralelamente, para obter mais força), obtínhamos uma “bateria” biológica. Depois das baterias de frutas e hortaliças, passei a usar moedas, alternando entre as de cobre e as de prata (era preciso usar moedas de prata anteriores a 1920, pois as posteriores tinham a liga enfraquecida), com papel mata-borrão umedecido (em geral com saliva). Se usasse moedas pequenas, de um quarto de penny e de seis pence, eu podia colocar cinco ou seis dessas duplas em uma polegada, ou fazer uma pilha de trinta centímetros de altura com sessenta ou setenta duplas, encerradas em um tubo, o que produzia um considerável choque de 100 volts. Seria possível ir além, pensei: fazer um bastão elétrico cheio de pares de folhas de cobre e zinco delgadas, muito mais nas do que moedas. Um bastão assim, com quinhentos ou mais pares, poderia gerar mil volts, mais ainda que uma enguia elétrica, o su ciente para assustar um agressor — mas nunca cheguei a fabricar um.

Fiquei fascinado com a enorme variedade de baterias inventadas no século XIX, algumas das quais pude ver no Science Museum. Havia baterias de “ uido único”, como a bateria original de Volta, ou a Smee, a Grenet, ou a robusta Leclanche, ou ainda a delgada bateria de prata de De la Rue; e havia as baterias de dois uidos, como a nossa Daniell, a Bunsen e a Grove (que usavam eletrodos de platina). Elas pareciam ser inúmeras, mas todas eram projetadas, de modos diferentes, para fornecer um uxo mais con ável e constante de corrente, para proteger os eletrodos do depósito de metais ou da aderência de bolhas de gás e para evitar a emissão de gases venenosos ou in amáveis (que algumas baterias causavam).

Aquelas pilhas hidrelétricas tinham de ser enchidas com água de vez em quando; mas as pequenas pilhas secas de nossas lanternas eram claramente diferentes. Marcus, vendo meu interesse, dissecou uma para mim com seu robusto canivete de escoteiro, mostrando-me o revestimento externo de zinco, o bastão de carbono central e no meio deles a pasta condutora, altamente corrosiva e de cheiro estranho. Ele me mostrou a grande bateria de 120 volts em nosso rádio portátil (que foi uma necessidade na guerra, pois o fornecimento de eletricidade era inconstante) — ela continha oitenta pilhas secas ligadas e pesava vários quilos. E certa vez ele abriu o capô do carro — tínhamos o velho Wolseley na época — e me mostrou o acumulador, com suas placas de chumbo e ácido, explicando que era preciso carregá-lo e que ele podia conduzir uma carga repetidamente, mas não gerá-la. Eu adorava baterias, e não precisavam estar carregadas; quando a família foi informada de meu interesse, choveram baterias usadas de todas as formas e tamanhos, e rapidamente acumulei uma notável (embora inútil) coleção delas, muitas das quais abri e dissequei.

Mas minha favorita continuou sendo a velha pilha de Daniell, e quando nos modernizamos e instalamos uma nova pilha seca para a campainha, eu me apropriei da de Daniell. Tinha apenas uma modesta voltagem de 1 ou 11/2 volt, mas a corrente, de vários ampères, era considerável para seu tamanho. Isso a tornava muito conveniente para experimentos que requeriam aquecer e acender, nos quais era preciso uma corrente substancial, mas a voltagem quase não importava.

Com ela eu podia prontamente aquecer os — tio Dave me deu uma munição completa de os nos de tungstênio, de todas as diferentes espessuras. O o mais grosso, com dois milímetros de diâmetro, aquecia-se moderadamente quando eu ligava um pedaço dele aos terminais das baterias; o o mais no tornava-se branco-incandescente e se incinerava num instante; havia um conveniente o de espessura intermediária que eu podia manter por algum tempo aquecido ao rubro, embora mesmo a essa temperatura ele se oxidasse e se desintegrasse logo, transformando-se em uma lanugem de óxido branco-amarelado. (Percebi então por que fora crucial remover o ar das lâmpadas e por que a iluminação incandescente não era possível a menos que os bulbos fossem evacuados ou preenchidos com um gás inerte.)

Eu também podia decompor água, se fosse salgada ou acidulada, usando a pilha de Daniell como fonte de força. Lembro o prazer extraordinário que sentia ao decompor um pouco de água em uma taça para ovos quentes, vendo-a separar-se em seus elementos, o oxigênio em um eletrodo, o hidrogênio no outro. A eletricidade de uma pilha de 1 volt parecia tão fraca, e no entanto podia ser su ciente para desfazer um composto químico, decompor água ou, mais dramaticamente, sal, em seus constituintes violentamente ativos.

A eletrólise não poderia ter sido descoberta antes da pilha de Volta, pois até as mais potentes máquinas elétricas ou jarros de Leyden não podiam de modo algum causar a decomposição química. Faraday calculou posteriormente que teria sido necessária a tremenda carga de 800 mil jarros de Leyden, ou talvez toda a força de um relâmpago para decompor uma única gota de água, algo que podia ser feito por uma minúscula e simples pilha de 1 volt. (Por outro lado, minha pilha de 1 volt, ou mesmo a bateria de oitenta elementos que Marcus me mostrou no rádio portátil, não podia fazer a borla da cortina ou um eletroscópio se moverem.) A eletricidade estática podia gerar grandes faíscas e cargas de alta voltagem (uma máquina de Wimshurst podia gerar 100 mil volts), mas pouca força, ao menos para eletrolisar. E o oposto acontecia com a enorme força, mas baixa voltagem, de uma pilha química.

Se a bateria elétrica foi minha introdução à inseparável relação entre eletricidade e química, a campainha elétrica foi minha introdução à inseparável relação entre eletricidade e magnetismo — uma relação nem um pouco evidente ou transparente, que só foi descoberta na década de 1820.

Eu já vira que uma modesta corrente elétrica era capaz de aquecer um

o, dar um choque ou decompor uma solução. Mas como ela podia

causar o movimento oscilatório, o tinido de nossa campainha elétrica? Os os da campainha iam até a porta da frente, e um circuito se completava quando se apertava o botão do lado de fora. Certa noite, quando meus pais tinham saído, decidi desviar esse circuito e conectar os os de modo que eu pudesse acionar a campainha diretamente. Assim que permiti a passagem da corrente, o badalo deu um pulo e bateu na campainha. O que o fazia pular quando a corrente passava? Vi que o badalo da campainha, feito de ferro, era enrolado com um o de cobre em espiral. A espiral se tornava magnetizada quando uma corrente passava por ela, e isso fazia com que o badalo fosse atraído pela base de ferro da campainha (assim que a atingia, ele rompia o circuito e voltava a seu lugar inicial). Isso me pareceu extraordinário: minhas magnetitas, meus ímãs de ferradura eram uma coisa, mas ali estava um magnetismo que só aparecia quando uma corrente passava pela espiral e desaparecia no momento em que a corrente cessava.

Foi a delicadeza, a sensibilidade das agulhas de bússola que me deu a primeira pista para a relação entre eletricidade e magnetismo. Sabia-se muito bem que uma agulha de bússola podia fazer movimentos abruptos ou até se desmagnetizar durante uma tempestade com raios, e em 1820 observou-se que quando se permitia a passagem de uma corrente por um o próximo a uma bússola, a agulha se movia subitamente. Se a corrente fosse su cientemente forte, a agulha podia ser desviada em noventa graus. Se a bússola fosse colocada acima do o ao invés de embaixo, a agulha se virava na direção oposta. Era como se a força

magnética estivesse formando círculos ao redor do o.2

Esse movimento circular de forças magnéticas podia ser prontamente tornado visível usando-se um ímã vertical xado a uma tigela com mercúrio, com um o frouxamente suspenso apenas tocando o mercúrio, e uma segunda tigela na qual o ímã podia mover-se e onde o

o era xo. Quando passava uma corrente, o o frouxamente suspenso

deslocava-se em círculos roçando a água ao redor do ímã, e o ímã solto girava na direção oposta, ao redor do o xo.

Faraday, que em 1821 inventara esse dispositivo — efetivamente, o primeiro motor elétrico do mundo —, imediatamente se perguntou se o inverso poderia acontecer: já que a eletricidade podia produzir magnetismo com tanta facilidade, uma força magnética poderia produzir eletricidade? Notavelmente, ele precisou de muitos anos para responder

a essa pergunta, pois a resposta não era simples.3 Instalar um ímã permanente dentro de um o em espiral não gerava eletricidade; era preciso mover a barra para dentro e para fora, e só desse modo era gerada uma corrente. Isso nos parece óbvio hoje, pois temos familiaridade com os dínamos e com o modo como eles funcionam. Mas naquela época não havia razão para esperar que o movimento fosse necessário; a nal, o jarro de Leyden, uma bateria voltaica, cava parado em cima da mesa. Até um gênio como Faraday precisou de dez anos para fazer o salto mental, para se afastar das pressuposições de sua época, entrar em um novo reino e perceber que o movimento do ímã era necessário para gerar eletricidade, que o movimento era a essência. (O movimento, pensou Faraday, gerava eletricidade cortando as linhas de força magnética.) O ímã de vaivém inventado por Faraday foi o primeiro dínamo do mundo — um motor elétrico ao contrário.

Curiosamente, as duas invenções de Faraday, o motor elétrico e o dínamo, descobertos mais ou menos na mesma época, tiveram impactos muito diferentes. Os motores elétricos foram adotados e desenvolvidos quase de imediato, e em 1839 já havia embarcações uviais movidas a bateria elétrica, enquanto os dínamos foram desenvolvidos com muito mais vagar e seu uso só se disseminou na década de 1880, quando a introdução da luz elétrica e do trem elétrico criou a demanda por uma grande quantidade de eletricidade e um sistema de distribuição. Aqueles dínamos enormes e barulhentos, tecendo do nada uma nova força misteriosa e invisível, eram uma coisa nunca vista, e as primeiras usinas de força com seus dínamos gigantescos inspiravam um assombro reverente. (Esse sentimento é evocado por H. G. Wells em uma de suas primeiras histórias, “The Lord of the Dynamos”, na qual um homem simplório começa a ver os grandes dínamos dos quais ele tem de cuidar como um deus que exige um sacrifício humano.)

Como Faraday, comecei a ver “linhas de força” em toda parte. Eu já havia instalado luzes dianteira e traseira a pilha em minha bicicleta, e então coloquei também luzes acionadas por um dínamo. Quando o pequeno dínamo zumbia na roda traseira, eu às vezes imaginava as linhas de força magnética sendo cortadas e pensava no papel misterioso e crucial do movimento.

A princípio, magnetismo e eletricidade pareceram completamente separados. Agora pareciam estar ligados, de algum modo, pelo movimento. Foi nessa altura que recorri a meu tio “físico”, Abe; ele me explicou que a relação entre eletricidade e magnetismo (e a relação de ambos com a luz) fora realmente esclarecida pelo grande físico escocês

Clerk Maxwell.4 Um campo elétrico em movimento induziria em suas proximidades um campo magnético, e isto, por sua vez, induziria um segundo campo elétrico, e este um outro campo magnético e assim por diante. Com essas induções mútuas quase instantâneas, Maxwell visualizou, haveria, efetivamente, um campo eletromagnético combinado em oscilação extremamente rápida, que se expandiria em todas as direções, propagando-se como um movimento ondulatório pelo espaço. Em 1865, Maxwell conseguiu calcular que tais campos se propagariam a 300 mil quilômetros por segundo, uma velocidade extremamente próxima à da luz. Isso era espantoso — ninguém suspeitara de nenhuma relação entre magnetismo e luz; de fato, ninguém tinha nenhuma ideia do que poderia ser a luz, embora se soubesse perfeitamente que ela se propagava como uma onda. Maxwell sugeriu, então, que luz e magnetismo eram “atributos da mesma substância, e que a luz é uma alteração eletromagnética propagada pelo campo segundo leis eletromagnéticas”. Depois de ouvir isso, comecei a pensar na luz de outro modo — como campos elétricos e magnéticos pulando uns sobre os outros com espantosa velocidade, entrelaçando-se para formar um raio de luz.

Disso decorria que qualquer campo elétrico ou magnético variável podia gerar uma onda eletromagnética que se propagava em todas as direções. Isso, disse Abe, foi o que inspirou Heinrich Hertz a procurar outras ondas eletromagnéticas — talvez com um comprimento de onda muito maior que o da luz visível. Hertz conseguiu esse objetivo em 1886, usando uma simples bobina de indução como “transmissor” e pequenos os em espiral com minúsculas distâncias explosivas de faísca (um centésimo de milímetro) como “receptores”. Quando a bobina de indução era ajustada para produzir faíscas, Hertz podia observar, na escuridão de seu laboratório, minúsculas faíscas secundárias nas espirais pequenas. “Quando você liga o rádio”, disse Abe, “não pensa na coisa maravilhosa que está acontecendo. Imagine a sensação, naquele dia de 1886, quando Hertz viu essas faíscas no escuro e percebeu que Maxwell estava certo, e que algo como a luz, uma onda eletromagnética, estava irradiando de sua bobina de indução em todas as direções.”

Hertz morreu muito jovem, sem chegar a saber que sua descoberta revolucionaria o mundo. O próprio tio Abe tinha apenas dezoito anos quando Marconi pela primeira vez transmitiu sinais de rádio através do canal da Mancha, e se lembrava da sensação que isso causou, ainda maior que a provocada pela descoberta dos raios X dois anos antes. Sinais de rádio podiam ser captados por certos cristais, especialmente os cristais de galena; era preciso encontrar o local certo em sua superfície, explorando o cristal com um o de tungstênio, um “bigode de gato”. Uma das primeiras invenções do tio Abe foi um cristal sintético que funcionava melhor que o de galena. Na época, todos ainda se referiam às ondas de rádio como “ondas hertzianas”, e tio Abe batizara seu cristal de hertzita.

Mas a suprema realização de Maxwell foi dar coesão a toda a teoria eletromagnética, formalizá-la, sintetizá-la em apenas quatro equações. Nesta meia página de símbolos, disse Abe, mostrando-me as equações em seu livro, condensava-se toda a teoria de Maxwell — para aqueles capazes de compreendê-la. As equações de Maxwell revelaram, para Hertz, os contornos de “uma nova física [...] como um reino encantado” — não só a possibilidade de gerar ondas de rádio, mas a noção de que todo o universo, até suas regiões mais remotas, era entrecruzado por campos eletromagnéticos de todo tipo.

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