Teoria do fluido único — a origem dos termos positivo e negativo
Muitos de nós aprendemos sobre cargas elétricas no ensino médio e com isso, conceitos como o de cargas positivas e negativas passam a nos acompanhar por toda vida, muitas vezes inquestionáveis. Mas de onde surgiu tal nomenclatura? Hoje, vamos entender como os cientistas de séculos anteriores entendiam a eletricidade e como tais convenções surgiram.
A eletricidade como é conhecida hoje, pode parecer algo natural. Mas todos os termos e convenções utilizados atualmente levaram anos e anos sendo lapidados por diversos nomes. Um dos mais famosos foi Benjamin Franklin (1706 -1790), o qual se dedicou incessantemente ao estudo de fenômenos elétricos durante seus anos na Filadélfia.
O experimento de Benjamin Franklin
Em 1733, Charles DuFay havia desenvolvido sua teoria, onde dividia a eletricidade em dois tipos de fluido: vítreo e resinoso. É estranho imaginar que a eletricidade é um fluido quando hoje sabemos da existência das partículas, como elétrons ou íons. Porém, durante os primeiros séculos de pesquisa, a teoria da eletricidade como um fluido era muito bem difundida.
Instigado pelos experimentos com a famosa jarra de Leyden, feitos pelo holandês van Musschenbroeck e pelo alemão Dean Von Kleist, Franklin deu início à uma série de experimentos em eletricidade. Em uma carta à seu colega Peter Collinson — membro da Royal Society of London — datada de 25 de Maio de 1747 ele escreve pela primeira vez a respeito de sua teoria do fluido único.
1. A person standing on wax and rubbing the tube; and another person on wax drawing the Fire, they will both of them (provided they do not stand so as to touch one another) appear to be electrised to a person standing on the floor; that is, he will perceive a spark on approaching each of them
2. But if the persons standing on wax touch one another during the exciting of the Tube, neither of them will appear to be electrised.
3. If they touch one another after exciting the tube, and drawing the fire as aforesaid, there will be a stronger spark between them than was between either of them and the person on the floor.
4. After such strong spark, neither of them discovers any Electricity.
These appearances we attempt to account for thus:
We suppose as aforesaid, That Electrical Fire is a common element, of which every one of the three persons above mentioned has his equal share before any operation is begun with the tube. A, who stands on wax, and rubs the tube, collects the Electrical Fire from himself into the glass; and his communication with the common stock being cut off by the wax, his body is not again immediately supply’d. B, who stands upon wax likewise, passing his knuckle along near the tube, receives the fire which was collected by the glass from A; and his communication with the common stock being likewise cutt off, he retains the additional quantity received. To C, standing on the floor, both appear to be electrised; for he having only the middle quantity of Electrical Fire receives a spark on approaching B, who has an over-quantity, but gives one to A, who has an under-quantity. If A and B touch each other, the spark between them is stronger, because the difference between them is greater. After such touch, there is no spark between either of them and C; because the Electrical Fire in all is reduced to the original equality. If they touch while electrising, the equality is never destroyed, the fire only circulating. Hence have arisen some new terms among us. We say B (and other Bodies alike circumstanced) are electrised positively; A negatively: Or rather B is electrised plus and A minus. And we daily in our experiments electrise bodies plus or minus as we think proper. These terms we may use till your philosophers give us better. To electrise plus or minus, no more needs to be known than this.
Se você não entendeu nada do que estava escrito no trecho acima, não se preocupe, é totalmente compreensível visto que naquela época o inglês era muito mais rebuscado. A experiência consiste basicamente em Franklin colocar dois indivíduos sobre apoios isolantes, feitos de cera, enquanto um terceiro indivíduo permanece sobre o chão. Consideramos ainda que no início do experimento, todos possuem a mesma quantidade de fluido elétrico, o qual Franklin chama de fogo elétrico, um tanto esquisito, eu sei.
Inicialmente, o indivíduo A fricciona um tubo de vidro, perdendo no ato, fluido elétrico. Como o indivíduo A se encontra isolado, sobre uma superfície de cera (material não-condutor), ele contínua com a mesma quantidade de fluido. O indivíduo B, o qual se encontra também isolado em uma segunda superfície de cera se encontra próximo ao indivíduo A e toca o tubo de vidro, recebendo portanto a mesma quantidade de fluido elétrico que haviam sido doadas por A. Um terceiro indivíduo C, neutro — ou utilizando a linguagem de Franklin, possuindo uma quantidade média de fluido elétrico — é inserido no experimento. Quando tal indivíduo toca tanto A quanto B, surge uma faísca. C recebe a faísca de A, o qual possui maior quantidade de fluído elétrico. Já B, recebe a faísca de C, pois o mesmo possui uma quantidade menor de fluído elétrico. Agora, quando A toca B (ou vice-versa), tem-se uma faísca de maior intensidade, visto que a diferença na quantidade de fluido elétrico entre eles é maior. Ao fim do toque, não há mais faísca alguma, visto que a quantidade de fluido elétrico em todos os indivíduos é a mesma.
Desse modo, o experimento de Franklin dá início a quatro hipóteses:
- O “fogo” elétrico é um fluído único.
- Existem dois estados associados a quantidade de fluido elétrico de um corpo. O estado positivo (mais), representado pelo corpo com uma quantidade maior de fluido elétrico. E o estado negativo (menos), representado pelo corpo com uma menor quantidade de fluido elétrico.
- Há conservação de energia.
- As faíscas ocorrem de modo a restaurar o equilíbrio.
Essa convenção desenvolvida por Franklin continuou sendo aplicada por diversos outros nomes que estudaram fenômenos elétricos.
O físico americano, Robert Andrews Millikan recebedor do prêmio Nobel de Física de 1923 devido à sua contribuições no estudo das cargas elétricas considera a interpretação de Benjamin Franklin como uma das coisas mais fundamentas já feitas no campo da Eletricidade.
William Watson e seus experimentos esquecidos
Embora seja mais conhecido por suas pequisas na área da botânica, o britânico William Watson possui diversas contribuições para o campo da Eletricidade. Foi ele por exemplo, quem cunhou o termo “circuito”, utilizado até os dias de hoje. Como membro da Royal Society of London, Watson estava sempre atualizando os membros restantes de suas descobertas.
Em uma de suas cartas, destinada ao colega Martin Folkes, datada de 1745 e lida em uma das reuniões da Royal Society — atualmente presente em um compilado conhecido como Experiments and Observations tending to illustrate the nature and properties of Electricity— ele comenta
If two persons stand upon electrical cakes at about a Yard's distance
from each other, one of which persons, for the Sake of Distinction, we
will call A, the other B: If A when electrified touches B, A loses
almost all his Electricity at that Touch only, which is receiv'd by B
and stopp'd by the electrical Cake; if A is immediately electrified
again to the same Degree as before and touches B, the Snapping is less
upon the Touch; and this Snapping, upon electrifying A, grows less and
less, till B being impregnated with Electricity, though receiv'd at
Intervals, the Snapping will no longer be sensible.
O experimento de Watson consistia em dois indivíduos, A e B, os quais era postos sobre superfícies de cera com uma distância de aproximadamente um metro entre as mesmas. Em seguida, o indivíduo A era “eletrificado”, ou seja, recebia uma determinada quantidade de carga elétrica e tocava o indivíduo B. Desse modo, sua “eletricidade” era quase que totalmente recebida por B ocorrendo no processo uma espécie de estalo. O processo é então repetido, verificando-se que o estalo vai diminuindo de intensidade a cada repetição.
Analisando o experimento de Watson, vemos que ele é muito parecido com o que Benjamin Franklin viria a realizar dois anos depois. Acontece que Watson na época não conseguiu tirar conclusões a respeito da natureza da eletricidade ao contrário de seu colega americano.
A partir da leitura do volume 45 da Philosophical Transactions da Royal Society of London, vemos que uma carta de Watson à instituição foi lida entre Outubro de 1747 e Janeiro de 1748, onde ele descreve suas observações a respeito da natureza da eletricidade e de alguns de seus experimentos.
1. That what we call Electricity is the Effect of a very subtil and
elastic Fluid, diffused throughout all Bodies in Contact with the terraqueous
Globe (those Substances hitherto termed Electrics per se probably excepted),
and everywhere, in its natural State of the same Degree of Density.2. That this Fluid manifests itself only, when Bodies capable of receiving more thereof than their natural Quantity are properly disposed for that
Purpose; and that then, by certain known Operations, its Effects shew themselves by attracting and repelling light Substances, by a snapping Noise,
Sparks of Fire &c. directed towards other Bodies, having only their. natural
Quantity, or, at least, a Quantity less than those Bodies from which the
Snappings, &c. proceed.3. That no Snapping is observed in bringing any two Bodies near each
other, in which the Electricity is of the same Density, but only in those Bodies
in which the Density of the Fluid is unequal.4. That this snapping is greater or less, in proportion to the different
Densities of the Electricity in Bodies brought near each other, and by which
Snapping each of them becomes of the same Standard.5. That Glass, and other Bodies which we call Electrics per se, have
the Property of taking this Fluid from one Body, and conveying it to another,
and that in a Quantity sufficient to be obvious to all our Senses.6. That in the Experiment in question, the Reason why no Snapping is
observed by a Person upon the Floor touching him who rubs the Globe with
his bands standing on Wax, without at the same time some other Non-electric
supported by Originally Electrics, or otherwise being in contact with the
Globe, is owing to whatever Part of this Man’s natural Quantity of Electricity,
taken from himself by the Globe in Motion, being restored to him again by
the Globe in its Revolutions; there not being any other Non-electric near
enough to communicate the Electricity to; and therefore, in this Situation,
the Electricity of the Man suffers no diminution of its Density7. That the fact is otherwise, when everything else being as before,
either a Gun-barrel suspended in Silk Lines, or a Man supported by Wax, or
such like, is placed near the Globe in Motion; because then, whatever part
of the Electricity of the Person rubbing is taken from him, is communicated
either to the other Man or the Gun-barrel, these, from their Situation, being
the first Non-electrics, to which Electricity taken from the Person can be
communicated.8. That under these Circumstances, as much Electricity as is taken from
the Person rubbing is given to the other; by which means the Electricity
of the first Man is more rare than it naturally was, and that of the last Man
more dense.9. That the Electricity in either of these Persons is in a very different
State of Density from what it naturally was, or from that of any Person
standing upon the Earth; this last being in a middle State between the two
other Persons; that is, he has not his Electricity so rare as the Man rubbing
the Globe, nor so dense as that of him supported by Electrics per se, and
touching the Equator of the Globe.10. That therefore the same Effect, a Snapping, is observed upon bringing any Non-electric near either of these Persons, from very different
Causes: For it is apprehended, that, by bringing the Non-electric near him,
whose Electricity is more rare, this Snapping restores to him what he had
lost; and that by bringing it near him, whose Electricity is more dense, it
takes of his Surcharge, by which means their original Quantity is restored
to each.
Analisando os postulados de Watson, vemos que ele, assim como Franklin, concluiu que a eletricidade era uma espécie de fluido — nas palavras dele, elástico — permeando todos os corpos em contato com a Terra. Além disso, tal fluido se manisfesta em corpos que o contém em uma quantidade superior à dita normal. Desse modo, quando os corpos que contém excesso desse fluido entram em contato com corpos com uma quantidade normal (menor) alguns efeitos são observados, como estalos, faíscas e até fogo, na direção do corpo com a menor quantidade de fluido. Ou seja, a interação elétrica entre os corpos ocorre somente quando há um desequilíbrio na quantidade de fluido entre os mesmos.
Ainda nesta carta, Watson replica o trecho da carta de Franklin à Collinson, creditando-o à explicação do experimento que ele mesmo não soube descrever.
The solution of this Gentleman, in relation to this Phenomenon, so exactly corresponds with that wich I offer’d very early last Spring, that i could not help communicating it.
A corrente convencional é errada?
Embora alguns séculos depois, mais especificamente no ano de 1897, J. J. Thomson tenha nos revelado a existência de elétrons, a convenção de Franklin já havia sido amplamente difundida entre pesquisadores uma vez que em muitos estudos acerca de fenômenos elétricos, não se preocupavam muito com a natureza física da eletricidade, se concentrando apenas nos aspectos matemáticos da mesma.
Desse modo, hoje, mesmo sabendo que em fios metálicos, a corrente se deve ao fluxo de elétrons livres, no estudo de circuitos elétricos, costuma-se considerar que a corrente se dá no sentido oposto, ou seja, de cargas positivas, fluindo maior potencial (+) para o menor (-), seguindo a linha de raciocínio de Franklin. O que importa para que uma análise seja feita não é a natureza da corrente já que estamos interessados em resultados quantitativos. Dessa forma, a corrente convencional não está errada, simplesmente porque não importa o que está em movimento e sim que haja movimento de cargas. Ainda assim, é muito interessante entender porquê fazemos isso. Saber que a forma que escrevemos uma equação hoje tem uma conexão com um experimento de mais de 250 anos atrás é algo simplesmente fascinante e que deveria amplamente difundido.
Por hoje é só pessoal! Espero que eu tenha conseguido despertar sua curiosidade. Caso queira se aprofundar mais, recomendo fortemente todos os textos linkados nas referências abaixo. Um grande abraço e até a próxima.
Referências
- Sanford, F. (1921, November). Origin of the Electrical Fluid Theories. The Scientific Monthly, 13(5), 448–459.
- Cohen, I. B. (1996). Benjamin Franklins Science. Cambridge (Mass.): Harvard University Press.
- Lemay, J. A. L. (2008). Life of Benjamin Franklin, Volume 3: Soldier, Scientist, and Politician, 1748–1757. University of Pennsylvania Press.
- Heilbron, J. L. (1999). Electricity in the 17th and 18th centuries: A study in early modern physics. Mineola, NY: Dover Publications.
- Holton, G. J., & Holton, G. J. (1998). The scientific imagination: with a new introduction. Cambridge, MA: Harvard University Press.
- https://founders.archives.gov/documents/Franklin/01-03-02-0059#BNFN-01-03-02-0059-fn-0031
- https://founders.archives.gov/documents/Franklin/01-03-02-0072
