Quando damos um grito, batemos palmas ou fazemos qualquer outro som, produzimos vibrações que se propagam pelo ar para todos os lados, assim como as
ondas que se formam ao jogarmos uma pedra na água.
A pedra faz com que a água se movimente, provocando uma perturbação nas regiões próximas, que transmitem essa movimentação, de maneira mais suave, para as regiões seguintes e assim sucessivamente.
No caso das
ondas que se propagam pelo ar, acontece um fenômeno bem parecido, só que invisível. Portanto, quando um objeto vibra, faz com que as camadas de ar ao seu redor se movimentem, agitando as camadas vizinhas e assim por diante.
As
ondas sonoras, além de invisíveis, são também muito rápidas, porém não instantâneas. O som demora um tempo para ir de um lugar a outro. Já notou que quando vemos um raio, leva algum tempo para escutarmos o som do trovão? Isso acontece porque o som leva alguns segundos para percorrer a distância entre o lugar em que o raio ocorreu e o lugar onde estamos.
O som perde força, pois, como se propaga em todas as direções, perde intensidade. No entanto, existe um modo de evitar isso: fazendo com que caminhe dentro de um tubo. Esse tubo pode ser de plástico, borracha ou metal, com alguns centímetros de diâmetro.
Ao falarmos em uma das extremidades de um tubo, produziremos
ondas sonoras que passarão por ele sem se espalhar, mantendo, praticamente a mesma intensidade e fazendo com que a pessoa na outra ponta do tubo, a uma distância de 100 metros, por exemplo, ouça perfeitamente o que se diz, sem a necessidade de gritar.
As
ondas sonoras se propagam não apenas pelo ar, mas também em meio a outras substâncias, sendo uma delas a água. Já tentou falar embaixo d'água? Se tentou, sabe que não é possível. Porém, se tocar um sino no fundo de uma piscina, certamente o escutará.
A velocidade do som na água é maior do que no ar - cerca de 1.500 metros por segundo - porém, o fato de não conseguirmos ouvir os sons que vêm de fora da água, estando dentro dela, tem a ver com a barreira constituída pela água para a passagem das
ondas sonoras.
Ao contrário do que se imagina, o som passa também pelas substâncias sólidas; já notou a sensação que temos de que o piso vibra quando um caminhão pesado passa próximo à rua da nossa casa? Isso acontece porque as vibrações produzidas por ele se espalham pelo chão, atingindo as áreas mais próximas. O mesmo acontece quando nosso vizinho dá uma grande festa; a música e o burburinho da conversa dos convidados fazem com que as paredes, portas e janelas vibrem, nos fazendo escutar o barulho, mesmo que estejam fechadas.
Existem substâncias que apresentam maior e menor
resistência à passagem do som. Tecidos grossos, colchões, travesseiros e acolchoados são exemplos de materiais que absorvem as vibrações, ou seja, não permitem que o som continue se propagando. Pelo contrário, materiais como placas metálicas, por exemplo, reproduzem as vibrações provocadas pelo som com maior facilidade.
Assim como no ar, o som que passa por substâncias líquidas e sólidas se espalha para todos os lados, perdendo intensidade gradativamente. No entanto, se esse som for canalizado, pode alcançar grandes distâncias sem perder força. Um exemplo disso está na seguinte experiência: ao encostar o ouvido no trilho de uma linha ferroviária, é possível escutar o som de um trem que está a vários quilômetros de distância. Isso é possível porque o trilho metálico impede que o som se disperse, fazendo com que este percorra somente a extensão da ferrovia, para um lado ou para outro.
Quem nunca brincou de telefone usando latinhas e barbante? Nessa divertida brincadeira, temos também uma experiência que usa o mesmo princípio.
Qual a velocidade do som?
O som tem uma velocidade de cerca de 330 a 360 metros por segundo, dependendo da temperatura e da umidade do ar. Isso quer dizer que a vibração produzida pelo som pode percorrer até uma distância de 360 metros no ar em apenas um segundo. Ou seja, se vimos um raio e, dois segundos depois, ouvimos o som do trovão, isso significa que o raio ocorreu a cerca de 700 metros de distância. Uma grande explosão poderia ser ouvida, depois de um minuto, a 20 quilômetros de distância. Em uma hora, o som seria capaz de percorrer entre 1.200 e 1.300 quilômetros. O que acontece, porém, é que o som vai perdendo força ao se propagar pelo ar, por isso não atinge grandes distâncias.
Os aviões supersônicos são aqueles que atingem velocidades maiores do que a do som, voando a uma velocidade maior que 1.200 ou 1.300 quilômetros por hora. Os aviões "normais" (subsônicos), que transportam passageiros ou cargas, atingem uma velocidade média de 900 quilômetros por hora.
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Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.
Os sons são formados por
ondas que, assim como na água, propagam-se para todos os lados e, por isso, tornam-se cada vez mais fracas à medida que se afastam do objeto que as produziu.
No entanto, existe um modo de evitar que o som se espalhe: fazendo-o percorrer um caminho no interior de um tubo.
Ao produzir um ruído em uma das extremidades de um longo tubo - de plástico, borracha ou metal, com alguns centímetros de diâmetro - as
ondas sonoras passarão por ele sem se dispersar, mantendo praticamente a mesma intensidade. Se houver uma pessoa na outra ponta do tubo, a uma distância de 100 metros, por exemplo, ela ouvirá perfeitamente o ruído que foi produzido, mesmo que não seja alto.
Esta era a base de um tipo de sistema de transmissão mecânica de voz, já bastante antigo: o tubo acústico, ou de comunicação, popularmente conhecido naquela época como "porta-voz".
Tubo acústico, ou “porta-voz”.
No início do século XIX, usando tubos vazios de encanamento de água, o físico Biot descobriu ser possível conversar com uma pessoa, sem alterar o tom da voz, a uma distância de até um quilômetro.
O "porta-voz" foi muito usado durante o século XIX e início do século XX na Marinha, para comunicação entre
as diversas partes de um navio.
Tubos de comunicação (“speaking tubes”) do século XIX.
A parte inicial - lugar onde se falava - e o final do tubo - lugar onde se escutava - eram normalmente feitos de metal. O tubo, em si, era feito de borracha envolta em lã ou algodão. Para chamar uma pessoa do outro lado, usava-se um apito que a pessoa soprava na boca do tubo acústico. Esse som era facilmente ouvido do outro lado, mesmo por pessoas que estivessem distantes de sua saída.
Os tubos de comunicação usados em escritórios e residências no final do século XIX possuíam um bocal, preso à caixa do aparelho onde se falava, e uma espécie de fone, preso a um tubo de borracha para ser colocado no ouvido.
Nas empresas, os tubos acústicos serviam para permitir a comunicação entre o escritório central e as diversas partes de uma fábrica, por exemplo.
No final do século XIX, tais aparelhos eram construídos e vendidos em grandes quantidades e diversos modelos. Os mais sofisticados contavam com dois dispositivos, um para falar e outro para ouvir, além de campainhas que avisavam quando uma pessoa queria falar.
Como funciona
De um lado, o aparelho possuía um cone metálico com as duas extremidades abertas, onde a mais fina ficava conectada a um tubo, que podia ser bastante longo. Quando uma pessoa dizia algo no cone, era possível ouvir sua voz perfeitamente na outra ponta do tubo, o que podia ocorrer mesmo a grandes distâncias.
Saiba mais
Além de equipamento importante para a comunicação empresarial e entre alguns domicílios, os tubos podiam servir ainda de brinquedo para as crianças.
Menino utilizando tubo de comunicação.
Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.
Os primeiros telefones foram todos fabricados por Thomas Watson (ajudante de Graham Bell), como ele mesmo costumava dizer: “com minhas próprias mãos”. Após a invenção, ele retornou à oficina de Williams (onde Bell o conheceu), e passou a supervisionar a produção, dedicando seu tempo ao aperfeiçoamento dos aparelhos e à redução de custos.
Entre maio e agosto de 1877, o telefone sofreu quatro importantes modificações:
Forma. De uma caixa grande e desajeitada, semelhante às antigas câmeras fotográficas, passou a ser um objeto menor e mais prático.
Campainha. Watson inventou uma série de sistemas de campainha para avisar quando uma pessoa queria falar.
Interruptor. Mecanismo acionado que prepara o telefone para fazer ou receber ligações.
Gancho. interruptor que conectava e desconectava o telefone automaticamente.
De 1877 a 1880, Watson registrou 60 patentes referentes aos aperfeiçoamentos e acessórios do telefone.
Primeiros telefones comercializados - 1877.
Os primeiros telefones comercializados em 1877 pesavam cerca de cinco quilos, pareciam caixas e ficavam apoiados sobre uma mesa ou outro móvel. Instalados em lugares distantes - sistema conhecido como ponta a ponta -, cada um deles possuía um dispositivo que funcionava nos dois sentidos: servia tanto para ouvir, quanto para falar. Ou seja, enquanto uma pessoa falava em um dos aparelhos, a outra tinha que encostar o ouvido no outro, trocando de posição depois.
Como esses telefones funcionavam com energia eletromagnética, não precisavam de pilhas ou qualquer outro tipo de energia externa, permanecendo ligados o tempo todo, já que não havia nenhum tipo de
interruptor.
Outra parte do telefone que não existia inicialmente era a campainha. Imagine como uma pessoa faria para avisar que queria falar com a outra? A única opção, até aquele momento, era ficar gritando, na esperança de que alguém passasse próximo ao outro aparelho e ouvisse os berros. v
Pouco tempo depois, devido a este problema, Williams (dono da oficina onde Watson começou a trabalhar) descobriu que, ao bater com um lápis no
diafragma do aparelho
transmissor, produzia ruídos fortes no
receptor. Watson achou o método muito interessante, porém percebeu que poderia danificar o aparelho. Inspirado por essa ideia, desenvolveu um sistema parecido, onde um botão fora da caixa do aparelho, quando pressionado com o dedo, acionava um pequeno martelo que batia em um ponto do
diafragma, sem danificá-lo, garantindo o bom funcionamento do aparelho.
O "batedor" de Watson era, certamente, melhor que os gritos ou as batidas diretas no
diafragma, porém, ainda assim, tinha um problema: não conseguia chamar a atenção das pessoas que estivessem distantes do aparelho. Por isso, Watson resolveu usar outro tipo de dispositivo, uma peça do telégrafo harmônico de Bell - lembra-se dele? O telégrafo possuía eletroímãs que faziam as lâminas vibrarem, o que gerava um zumbido, certo? Usando um “zumbidor”, ou como Watson costumava chamar, um buzzer, ligado a uma pilha, seria possível produzir um ruído que chamasse a atenção de todos. Apesar de terem sido fabricados alguns aparelhos de telefone com o “zumbidor”, ele não agradou muito. O som era fraco e bastante desagradável. De acordo com o próprio Watson, parecia com o ruído de um objeto duro, sendo passado por um ralador metálico.
O “zumbidor” de Watson.
Depois de todo esse processo, Watson desenvolveu um método de aviso, bastante eficiente, usando a campainha elétrica. As campainhas, que já eram bem conhecidas e utilizadas em casas e comércios, com as quais Williams já trabalhava há muitos anos, funcionavam da seguinte forma: um eletroímã movia um pequeno martelo metálico (badalo), para um lado e para o outro, batendo em dois gongos também metálicos, produzindo um som muito forte.
Campainha utilizada por Watson nos telefones.
A solução encontrada por Watson criou-lhe outros dois problemas para resolver: conseguir fornecer uma
corrente elétrica suficientemente forte para fazer a campainha funcionar e usar um único fio que acionasse a campainha e transmitisse a voz.
Muitos tubos de comunicação que eram utilizados na época da descoberta do telefone (como este) possuíam pequenos sinos, que eram tocados puxando um cordão. Em alguns casos, eram utilizadas campainhas elétricas.
Saiba mais sobre o funcionamento das campainhas- Magneto
Para acionar a campainha, usava-se um tipo de
dínamo, popularmente chamado de "
magneto", que produzia uma
corrente elétrica bastante forte, fazendo com que as campainhas soassem. O único problema era que, se essa mesma corrente atingisse o telefone, poderia danificá-lo, já que este empregava correntes extremamente fracas. Assim, Watson desenvolveu um tipo de
interruptor, ou
comutador, que era colocado na caixa dos aparelhos e tinha duas posições: na primeira, ligava o fio telefônico à campainha e ao
magneto; na segunda, ao aparelho de telefone propriamente dito. As pessoas deveriam deixá-lo sempre na primeira posição; assim, quando a outra pessoa girasse a manivela do
magneto, enviaria a
corrente elétrica pelo fio, que seria recebida pela campainha e não pelo telefone. Depois disso, a pessoa que estivesse telefonando deveria mudar o
interruptor para a segunda posição. Após ouvir a campainha, a pessoa que estivesse do outro lado da linha deveria fazer da mesma forma para que pudessem conversar entre si. Ao terminar a conversa, as duas pessoas precisariam retornar o
interruptor à primeira posição, permitindo que a campainha pudesse voltar a funcionar.
O uso do
interruptor confundia as pessoas, e elas raramente faziam as mudanças necessárias. Assim, era muito comum que uma pessoa tentasse chamar a outra e não conseguisse, pois a campainha estava desligada.
Diante do fracasso desse sistema, Watson introduziu mais uma modificação: um dispositivo que mudava, automaticamente, a conexão da linha entre o telefone e a campainha-
magneto. O resultado, extremamente simples, foi a invenção do “
gancho”. A parte do aparelho usada para falar -
transmissor - e escutar -
receptor - ficava pendurada em um
gancho interruptor; ou seja, quando o telefone estava no
gancho, o sistema ligava a linha telefônica à campainha; quando estava fora dele, o sistema desligava a campainha e conectava a linha telefônica ao telefone propriamente dito. Isso tornou tudo mais simples, uma vez que a única coisa que as pessoas precisavam lembrar era de colocar o telefone no
gancho.
Telefones de 1878, com campainha, magneto (manivela no centro da caixa) e interruptor manual (na parte de baixo da caixa).
Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.
Como funciona um transmissor eletromagnético (como o de Bell)
Para transmitir a voz de uma pessoa por meio da eletricidade, é preciso criar uma
corrente elétrica com alto grau de complexidade, que reproduza as propriedades do som da voz. Quando uma pessoa fala, ela produz uma
ondas, que vai mudando de intensidade e
frequência. Esta vibração é transmitida pelo ar até alcançar um aparelho que reproduza essa vibração para a
corrente elétrica.
O primeiro tipo de aparelho
transmissor desenvolvido por Alexander Graham Bell utilizava a energia das vibrações sonoras que movimentavam uma placa metálica na frente de um eletroímã, criando uma
corrente elétrica, seguindo o princípio da
indução eletromagnética.
Este é, basicamente, o princípio de funcionamento do
transmissor eletromagnético de Bell, que, em todas as suas formas, possui um ímã permanente e um
solenoide em um circuito que recebe correntes elétricas induzidas por uma placa de ferro.
O tamanho e posição desses elementos, a espessura da placa de ferro, o número de
espiras, a grossura do fio, entre outros aspectos do
transmissor de Bell, foram ajustados inúmeras vezes, até que se obtivessem os resultados esperados.
Quando uma pessoa fala diante de um
transmissor como esse, produz vibrações sonoras que, transmitidas através do ar, atingem a placa metálica, que acompanha as variações de
frequência e intensidade –
modulação - da voz de quem fala. A
corrente elétrica variável produz uma
ondas eletromagnética, que reproduz todas as características da
ondas sonora original. Assim, essa
corrente elétrica pode produzir, em um fone de ouvido ou alto-falante, vibrações praticamente iguais às da placa de ferro, transmitindo assim sons a distância, por meio da eletricidade.
Este
transmissor não precisa de pilhas ou outras fontes de eletricidade para funcionar, porque a própria energia do som coloca a placa de ferro em vibração e produz uma
corrente elétrica que, mesmo sendo muito fraca (incapaz de acender uma lâmpada de lanterna), produz efeitos sonoros que podem ser captados por um
receptor sensível como os fones de ouvido.
Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.
Transmissão a grandes distâncias - Bobinas
Após todo o trabalho de aperfeiçoamento do telefone, no final do século XIX a preocupação passou a ser quais seriam as demais possibilidades de melhoria na transmissão telefônica a grandes distâncias.
Elementos a serem modificados:
Transmissor - Aparelho que produz o sinal telefônico.
Receptor - Aparelho que nos permite ouvir o sinal telefônico.
Linha de transmissão - rede elétrica por onde passa o sinal telefônico.
Medidas a serem tomadas:
Aumentar a potência do transmissor - Tornar o sinal mais forte na origem.
Aumentar a sensibilidade do receptor - Tornar audível um sinal mais fraco.
Melhorar a transmissão - Fazer com que o sinal percorra corretamente toda a linha telefônica.
Objetivos das mudanças na linha telefônica:
Amplificar o sinal em pontos intermediários - Reforçar o sinal após ele ter perdido força.
Reduzir a atenuação - Evitar que o sinal perca força com a distância.
Reduzir a distorção - Manter a boa qualidade da voz.
Reduzir ruídos da linha - Ruídos produzidos por causas externas.
Não havia grandes dificuldades em aumentar a potência do
transmissor. Bastava, por exemplo, usar baterias mais fortes. Aumentando a potência do
transmissor, a
corrente elétrica também aumenta, perdendo assim muita energia, já que a potência perdida nos fios é igual ao quadrado da
corrente elétrica. Ou seja, se a
corrente elétrica é dobrada, a perda de energia é quadruplicada; por isso, quando as correntes elétricas são fortes, o sinal telefônico de um fio passa a interferir mais fortemente nos vizinhos.
Isso quer dizer que, para aumentar a
corrente elétrica, seria necessário afastar os fios uns dos outros nos postes, o que criaria muitos problemas. Como já havia uma
rede telefônica constituída, aumentar a força das correntes elétricas nos fios significava mudar todos os postes de lugar. Assim, por motivos práticos, os técnicos, em 1890, desistiram dessa ideia, descartando também o aumento de potência dos
transmissores.
Aumentar a sensibilidade do
receptor tampouco seria uma solução, já que não resolveria problemas como sinais telefônicos fracos, distorcidos e cheios de ruídos; pelo contrário, só tornaria sua recepção mais potente, agravando ainda mais a situação.
Concluiu-se então que a solução deveria estar na mudança da própria linha de transmissão. A partir de 1892, com a ideia de amplificar o sinal em pontos intermediários, foram instalados os "
repetidores" (repeaters) – sistema utilizado com sucesso nos telégrafos.
Repetidor era uma estrutura formada por um
receptor e um
transmissor que, encostados um ao outro, recebiam os sinais telefônicos, que eram transmitidos com mais força.
No entanto, este sistema ainda não resolvia os problemas de ruídos e distorção; pelo contrário: cada vez que o sinal telefônico passava pelo
repetidor, mesmo ganhando força, perdia qualidade.
Em meados de 1890, William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin, desenvolveu uma teoria sobre a
atenuação dos sinais telegráficos com a distância, levando em conta duas propriedades dos fios:
resistência e
capacitância. Analisando estas duas propriedades elétricas das linhas, ele concluiu que havia um limite na distância que os sinais telefônicos poderiam alcançar e que isso dependia, principalmente, da
resistência dos fios.
Uma solução possível e eficiente seria a substituição da fiação por fios de cobre, o que constituía, porém, uma alternativa um pouco cara. Primeiro porque quanto mais distantes as linhas, mais grossos deveriam ser os fios, depois porque seria preciso trocar os postes existentes por outros, que suportassem o peso desta nova fiação. Com isso, sob o ponto de vista prático, parecia ser inviável construir linhas que ultrapassassem 800 milhas.
1.1. Bobinas de carga (loading coils)
A solução encontrada no início do século XX para a melhoria das linhas de grande distância foi o uso das “
bobinas de carga” (em inglês, loading coils). Com esse tipo de dispositivo, foi possível atingir distâncias de centenas de milhas ou quilômetros, sem perder a qualidade da transmissão.
Quando uma
corrente elétrica percorre um fio, ela o aquece e perde energia. Para reduzir a quantidade de energia perdida, é possível diminuir a
resistência elétrica do fio usando fios mais grossos, como já vimos, ou aplicando outro método, cujo princípio físico pode ser entendido por meio da seguinte analogia:
Faça a experiência...
Uma ondas amortecida, que vai se enfraquecendo gradualmente.
Pense na imagem de uma mangueira - a que você costuma usar em sua casa para regar as plantas - estendida no chão, com uma de suas pontas presa à torneira. Se você pegar a outra ponta e balançá-la horizontalmente, de um lado para o outro, produzirá uma
ondas. Essa
ondas, no entanto, desaparecerá rapidamente, devido ao atrito da mangueira com o chão. Para alcançar maiores distâncias, temos três alternativas:
1) Diminuir o atrito da mangueira com o chão, fazendo-a oscilar sobre uma superfície lisa, o que equivale a diminuir a
resistência nos fios, no caso das
ondas elétricas.
2) Produzir uma
ondas maior, balançando a mangueira com mais força. É o mesmo que transmitir sinais telefônicos mais fortes.
3) Aumentar a
massa ou peso da mangueira, enchendo-a de água, por exemplo. Isso equivale a aumentar a
indutância da linha telefônica.
A terceira possibilidade é a menos óbvia e mais interessante. Aumentar a
massa ou a
inércia da mangueira, faz com que essa perca energia mais lentamente e sua
ondas alcance maiores distâncias. Portanto, se rechearmos a mangueira com bolas de chumbo e repetirmos a experiência descrita anteriormente, veremos que a
ondas perderá menos energia pelo atrito, indo ainda mais longe. Ou seja, se a mangueira tiver
massa maior, a
ondas que fizermos nela será mais lenta, porém perderá menos energia em seu deslocamento. O mesmo pode ser feito colocando
bobinas ao longo dos fios, que fazem com que as oscilações elétricas vão mais longe, antes de ter sua intensidade diminuída.
O uso de
bobinas, embora pareça simples, exige cálculos bastante complicados. Esta foi a primeira ocasião em que os pesquisadores que trabalhavam na melhoria da comunicação elétrica precisaram empregar uma teoria física sofisticada com cálculos matemáticos complexos.
O inglês Oliver Heaviside, operador de telégrafo entre 1868 e 1874, desenvolveu na década de 1880 uma teoria sobre o uso de
bobinas. Apesar de sua experiência prática com a produção e recepção de sinais elétricos por fios, seu principal trabalho era teórico e provava que a alta
indutância ajuda a manter a transmissão das
ondas eletromagnéticas a longas distâncias. Por ser um trabalho de difícil compreensão, pois exigia conhecimentos de Matemática avançada, não foi usado pelos engenheiros de telecomunicações. Para entendermos o complexo trabalho de Heaviside, vamos fazer a seguinte analogia:
Imagine um objeto pendurado em uma mola. Se você puxá-lo para baixo e depois soltá-lo, ele oscilará pra cima e pra baixo. Se a mola for fraca, as oscilações serão lentas; se ela for forte, serão mais rápidas. Se o objeto e a mola estiverem no ar, as oscilações se tornarão lentamente mais fracas, devido à
resistência do ar. Em cada oscilação o objeto perde energia, passando-a para o ar. Se a mola e o objeto estiverem dentro de um líquido como a água, por exemplo, veremos as oscilações diminuírem muito mais rapidamente. Ou seja, quanto maior a
resistência ao movimento que o ar ou o líquido produzirem, mais depressa as oscilações vão diminuir.
Como funciona
A duração das oscilações dependerá de outro fator: a
massa do objeto. Um objeto "leve", ou de pequena
massa, não armazena muita energia e para de oscilar mais rápido em comparação a um objeto "pesado", ou de grande
massa. Se colocarmos um cubo de plástico e um de chumbo, ambos do mesmo tamanho, presos a duas molas idênticas, dentro do mesmo líquido, puxando e soltando a mola do mesmo modo, o cubo de plástico vai parar de oscilar mais depressa do que o de chumbo. Isso ocorre porque as oscilações do objeto de chumbo são mais lentas, porém de maior duração.
Quando uma
ondas se propaga em uma corda ou mola, ocorre algo parecido: ela vai perdendo energia e se enfraquecendo. Porém, este amortecimento depende do lugar em que a corda está – no ar, na água ou encostada no chão. A distância atingida pela
ondas, como já foi visto, está diretamente relacionada, entre outras coisas, com a grossura da mola, o que influencia na rapidez com que a energia é perdida. Ou seja, a perda de energia é mais rápida se a corda for fina e leve, porque ela tem pouca capacidade de armazenar energia, ao contrário de uma corda grossa, que demora mais tempo para ficar fraca.
Quando aumentamos a
massa da corda, tornando-a grossa, estamos na verdade aumentando sua
indutância ou
inércia. Heaviside calculou o efeito da
indutância na propagação de
ondas eletromagnéticas e defendeu o uso de
bobinas intercaladas nos fios para melhorar a transmissão dos sinais telefônicos. O efeito da
indutância consiste, basicamente, em armazenar energia sob forma de campos magnéticos.
Como funciona
Quando uma
corrente elétrica passa por um fio, ela produz um campo magnético a seu redor. Se enrolarmos um fio, formando uma
bobina, criaremos um campo magnético muito mais forte com a mesma
corrente elétrica, que diminui mais lentamente, servindo como reservatório adicional de energia.
A teoria de Heaviside foi ignorada por alguns engenheiros e rejeitada por outros. O diretor do serviço de telégrafos da Inglaterra nessa época, William H. Preece, defendeu as antigas fórmulas empíricas de William Thomson, que levavam em conta apenas a
resistência “R” e a
capacitância “C” dos fios.
Sua fórmula dizia que uma linha só poderia ser usada quando CxR fosse menor que 15.000. Porém, mesmo após verificar que em certos casos as linhas podiam ser usadas com CxR superior a 50.000, não houve suspeita de que a teoria de Preece estivesse errada.
1.2. Pesquisas sobre as bobinas de carga
A análise das
bobinas de carga foi um problema científico altamente complexo, que só podia ser resolvido por pesquisadores com grande conhecimento sobre a teoria eletromagnética. Os primeiros inventores do grupo Bell, sem formação científica, não tinham esse tipo de conhecimento; eram dotados de grande capacidade de trabalho e criatividade, porém com esta limitação.
Hammond V. Hayes
O primeiro cientista, propriamente dito, contratado pela empresa de Bell foi Hammond V. Hayes, que trabalhou lá de 1885 a 1907. Doutor em Física, formado por excelentes universidades como Harvard University e Massachusetts Institute of Technology, dedicou-se à solução de muitos problemas, especialmente o da instalação de baterias elétricas nas centrais telefônicas, o que eliminou a necessidade de baterias em todas as casas. Este processo se generalizou em torno de 1900, quando Hayes aperfeiçoou o sistema telefônico, sem resolver, entretanto, os problemas como as transmissões a longa distância.
Em 1890, a empresa de Bell contratou outro cientista: John Stone. Ele havia estudado com Rowland (físico norte-americano) e conhecia profundamente o trabalho de Heinrich Hertz, as
ondas eletromagnéticas e os estudos teóricos de Heaviside, usando, inclusive, alguns de seus resultados para reduzir o ruído das linhas telefônicas. Desde 1893 estava convencido de que era necessário aumentar a
indutância das linhas, sugerindo o uso de
bobinas em intervalos regulares nas linhas telefônicas.
Porém, não chegou a instalar este sistema, pois tinha dúvidas a respeito de sua viabilidade, tanto em relação ao aumento de custos quanto de
resistência elétrica. Receava também que as
bobinas de uma linha causassem interferência nas outras, o que, aliás, já havia sido observado em alguns casos. Nas centrais telefônicas existia uma série de
transformadores, que ficavam próximos uns dos outros, recebendo sinais de alta voltagem e baixa corrente dos vários assinantes, transformando-os em baixa voltagem e alta intensidade de corrente nos
receptores. A presença de muitos
transformadores próximos fazia com que eles se afetassem mutuamente, produzindo “linhas cruzadas”, ou seja, uma pessoa podia ouvir o que as outras conversavam.
Em 1893, A. N. Mansfield fez os primeiros testes de colocação de
bobinas ao longo da linha telefônica que ia de Nova Iorque a Chicago, nos EUA. A tentativa, porém, não foi bem planejada, porque Mansfield não conhecia bem a teoria e, por isso, analisou precariamente as características necessárias às
bobinas e as distâncias em que deveriam ser colocadas. Não é preciso dizer que os resultados foram negativos.
George A. Campbell
George A. Campbell foi um terceiro importante pesquisador contratado pela empresa, no final de 1897. Seu primeiro desafio, passado por Hayes, foi o de estudar os arranjos necessários à instalação de baterias nas centrais telefônicas, substituindo as baterias existentes em cada residência. Em seguida, começou a estudar a colocação de
bobinas de carga nas linhas telefônicas.
Estudou no Massachusetts Institute of Technology e lá aprendeu a teoria de Heaviside, no entanto não tinha clareza sobre a aplicação da teoria. Poderia aumentar a
indutância de um fio enrolando-o na forma de uma
bobina ou
solenoide, mas via que, se todo fio entre duas cidades tivesse essa forma, os gastos seriam enormes e a
resistência elétrica cresceria tanto que talvez anulasse o efeito positivo do aumento da
indutância, como Stone temia. Campbell imaginou então que seria possível colocar algumas
bobinas ao longo do fio, ao invés de uma única, de um extremo ao outro da linha. Heaviside já havia sugerido esta possibilidade em 1893, sem, no entanto, estudar detalhadamente suas consequências.
Saiba mais
De acordo com a teoria de Heaviside, a
atenuação "A" de um sinal depende principalmente da
resistência "R", da
capacitância "C" e da
indutância "L" da linha (por unidade de comprimento), de acordo com a fórmula:
Pode-se, portanto, diminuir a
atenuação "A" reduzindo a
resistência "R" e a
capacitância "C", ou aumentando a
indutância "L" da linha.
Esta fórmula foi pensada considerando linhas homogêneas, ou seja, com as mesmas características em todos os pontos. Ao introduzir
bobinas espaçadas entre si na linha, a equação de Heaviside poderia não funcionar mais – e, até então, não havia uma fórmula para o caso de
bobinas intercaladas no fio.
Durante os três últimos anos do século XIX, Stone, Campbell e Hayes trabalharam para melhorar a qualidade dos cabos telefônicos. Stone percebeu um problema que ainda não havia sido notado: ao conectar cabos e fios de diferentes tipos, ou seja, com diferentes propriedades elétricas, os sinais telefônicos podiam encontrar dificuldades em passar totalmente pelo ponto de união entre eles, pois uma parte do sinal telefônico é refletida, reduzindo muito a eficiência da linha.
Saiba mais
Duas comparações podem ajudar a esclarecer o problema. Quando a luz passa do ar para a água, ou passa por um vidro, uma parte dela é refletida na superfície de separação. A luz só não é refletida ao passar de uma substância transparente para outra quando ambas têm o mesmo índice de refração. Algo semelhante ocorre com as
ondas produzidas em cordas e molas. Se amarrarmos uma corda fina em uma corda grossa e produzirmos nela uma
ondas, uma parte dela será refletida ao chegar na emenda entre as cordas. Para que o impulso não seja refletido, é preciso que a densidade das duas cordas -
massa por comprimento - seja igual.
No caso dos sinais telefônicos, a condição básica para que o sinal passe de um cabo ao outro sem reflexão é, igualmente, que ambos os lados tenham a mesma
impedância – característica elétrica que depende da
resistência,
capacitância e
indutância dos dois sistemas.
Quando há uma corrente contínua em um fio, temos a seguinte relação:
I = V / R
Quando a corrente é alternada, vale uma relação bastante semelhante, mas no lugar da
resistência "R" é utilizada a
impedância "Z". Então temos:
I = V / Z
A
impedância é dadapor uma fórmula complicada e depende da
frequência "f" da corrente alternada. Quando a
capacitância é baixa, a fórmula é esta:
Essas fórmulas são válidas quando a
indutância está distribuída uniformemente pela linha. No caso de
bobinas espaçadas regularmente pela linha, a fórmula é totalmente diferente. Em meados de 1899, Campbell conseguiu calcular o comportamento da linha com
bobinas distribuídas, estabelecendo que se as
bobinas estiverem distribuídas a distâncias bastante inferiores ao menor comprimento de
ondas dos sinais telefônicos, o resultado será satisfatório. Ou seja, quatro ou cinco
bobinas por comprimento de
ondas era uma solução razoável; com dez, o resultado era praticamente o mesmo da distribuição contínua de
indutância.
Uma parte do estudo de Campbell foi teórica e, apenas em 1899, tiveram início seus testes e experimentações, introduzindo 5
bobinas por
milha em uma linha de 20 milhas, ou seja, 100
bobinas em uma linha de 32 quilômetros.
Comparando a linha experimental com as
bobinas a uma linha de mesma
resistência sem elas, os pesquisadores puderam observar que a transmissão havia melhorado muito e que os resultados eram bem próximos das previsões teóricas. Isso lhes deu grande confiança no sistema e na teoria de Heaviside, que passava a ser adaptada aos problemas práticos da telefonia, de maneira independente pelos pesquisadores Michael I. Pupin e George A. Campbell, pesquisador da American Telephone & Telegraph (AT&T) – empresa sucessora da Bell.
A ideia de colocar
bobinas em intervalos regulares, aumentando a
indutância da linha, foi patenteada pelo físico inglês Sylvanus Thompson em 1891, o que fez um especialista em patentes da própria AT&T acreditar, em 1899, que não seria possível patentear o sistema de Campbell.
Thompson, que pensou na colocação de
bobinas conectando pares de fios telefônicos, ao invés de intercalá-las em série, não determinou as propriedades e o espaçamento necessário às
bobinas.
Campbell estudou detalhadamente a teoria das linhas de transmissão, obtendo seu título de doutor na Universidade de Harvard em 1901 com um trabalho sobre o tema. Porém, antes que chegasse a resultados práticos definitivos, Pupin obteve uma patente para o método.
Esquema de uma linha telefônica com bobinas de carga (loading coils).
Idvorsky Pupin, professor da Universidade da Columbia, estudou, independentemente de Campbell, as
bobinas de carga e, em maio de 1900, submeteu um pedido de patente desse sistema, que lhe foi concedida no mês seguinte.
Michael I. Pupin
Em junho de 1900, a AT&T, tomando conhecimento da patente de Pupin, tentou anulá-la, alegando que Campbell já havia desenvolvido um sistema semelhante. Percebendo que isso não seria possível, a AT&T fez um acordo e comprou a patente de Pupin por 185 mil dólares iniciais, mais 15.000 dólares anuais, durante os 17 anos de sua validade. A empresa chegou a pagar quase meio milhão de dólares pela patente, o que foi rapidamente recuperado: a AT&T lucrou um milhão de dólares com a instalação do sistema, apenas em Nova Iorque.
1.3 Utilização das bobinas de carga
Passar a teoria para a prática foi um grande desafio, pois, dentre muitos outros motivos, era preciso que as
bobinas tivessem características adequadas, como por exemplo: fios de baixa
resistência elétrica, ou seja, que não fossem muito finos, e núcleo de um material magnético que funcionasse bem com as correntes elétricas variáveis do sinal telefônico. Como estas
bobinas não existiam, foi preciso inventá-las.
Com isso, surgiram problemas secundários como linhas cruzadas, grandes “vazamentos” de energia, perigos com raios, reflexão das
ondas nas conexões entre as linhas com e sem carga, e nos aparelhos telefônicos, todos criados pelas
bobinas.
Pupin sugeriu que fossem usadas, ao invés das
bobinas cilíndricas,
bobinas toroidais - em forma de pneu - com diâmetro de aproximadamente 10 centímetros, colocadas a uma distância de no mínimo uma, no máximo três milhas uma da outra, aumentando a carga das linhas telefônicas. O objetivo era fazer com que o campo magnético ficasse “preso” dentro do núcleo, impedindo assim que uma
bobina influenciasse nas outras. Isso, de fato, melhorou muito seu funcionamento, o que motivou a adoção deste formato para todo o sistema.
Esquema de bobina de carga toroida (esquema) e fotografias de bobinas de carga (loading coils) do inicio do século XX (direita).
Em 1903, os principais detalhes de utilização das
bobinas de carga estavam resolvidos, e o planejamento das linhas feito de forma eficiente e econômica, permitindo que, mesmo tendo sido pensado para linhas telefônicas de longa distância, o sistema fosse usado também nas redes urbanas, até então pequenas.
Os cabos telefônicos subterrâneos possuíam uma série de vantagens, mas ainda eram inviáveis para a transmissão de sinais telefônicos a grandes distâncias, pois perdiam força rapidamente. Em 1904, este problema foi solucionado, também por meio das
bobinas de carga, que permitiram a transmissão subterrânea de sinais telefônicos para maiores distâncias, com fios mais finos e com grande melhoria na qualidade do som. Tudo isso resultou em grande economia para as empresas de telefonia, que chegaram, em alguns casos, a cortar pela metade seus custos e, em outros, a um quarto do preço dos cabos sem
bobinas de carga.
Em 1911, foi possível conectar as cidades de Nova Iorque e Denver por telefone, e com isso verificar que, mesmo com as
bobinas, o sinal telefônico se enfraquecia ao alcançar determinada distância, sendo necessário recorrer ao uso de fios de cobre com a grossura de um lápis para fazer tal transmissão. Não é preciso dizer que isso encareceu bastante a estrutura.
O único modo de atingir distâncias maiores foi produzindo um tipo de
repetidor telefônico que não transmitisse ou criasse ruídos e distorções graves, o que só foi possível após o desenvolvimento da eletrônica.
Os estudos na área da eletrônica tiveram início no começo do século XX e, em 1906, Lee de Forest desenvolveu os primeiros tubos de vácuo que permitiam amplificar uma
corrente elétrica, cuja evolução, em 1912, foram os chamados “tríodos”, as primeiras “válvulas eletrônicas” que funcionaram razoavelmente.
Posteriormente, sob a coordenação de Harold D. Arnold, alguns engenheiros se juntaram para pesquisar o tema. Como resultado da pesquisa, em 1915 foi inaugurada a primeira linha telefônica que usava as válvulas eletrônicas para amplificar os sinais. Apesar da grande melhoria na comunicação a distância trazida pela pesquisa e pelos experimentos, o uso de dispositivos eletrônicos se generalizou somente na década seguinte.
Durante toda a década de 1910, foram desenvolvidas técnicas eletrônicas que, somente na década de 1920, substituíram as
bobinas de carga nas linhas de longa distância. As
bobinas, entretanto, não desapareceram; continuaram a ser usadas nas linhas subterrâneas de curta distância durante décadas, pois melhoraram muito a transmissão de sinais telefônicos nos cabos.
Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.
Centrais telefônicas manuais
As centrais telefônicas são, basicamente, sistemas que permitem ligar dois telefones da
rede telefônica entre si.
Quando uma pessoa faz uma chamada, a
central telefônica estabelece uma ligação elétrica entre o par de fios que vem do telefone que está chamando e o do telefone que está sendo chamado, tornando possível a conversa entre essas duas pessoas.
As centrais telefônicas mais antigas eram manuais, isto é, tudo era feito pelas telefonistas, que recebiam as chamadas e faziam as ligações elétricas necessárias.
Cartão postal francês do final do século XIX. O homem está tentando falar com as telefonistas, que estão distraídas. Vê-se na frente de uma das moças um painel com janelas de aviso.
Na central havia, então, tantos pares de fios quanto telefones nela instalados, que vinham de diversas residências (ou escritórios) e ficavam ligados a
interruptores ou tomadas em um painel de controle.
Ao terminarem a conversa, as pessoas colocavam seus fones de volta ao corpo do aparelho, porém seus fios continuavam ligados na
central telefônica. Nas centrais mais antigas, a telefonista precisava ouvir as conversas, de vez em quando, para ver se já tinham terminado e só então, desligar as duas linhas. Já nas mais modernas, dispositivos como lâmpadas que acendiam, ou janelinhas que se abriam na mesa da telefonista, avisavam quando as pessoas haviam desligado seus aparelhos. v
Quando uma pessoa queria falar com outra, no final do século XIX, era preciso chamar a telefonista, enviando um sinal para a central, usando a manivela do telefone.
Na central, é claro, esse sinal não poderia acionar uma campainha, pois o terrível barulho não teria fim. Por isso, usava-se um sistema em que a tampa de uma pequena janela se abria, identificando o assinante que desejava fazer a ligação. Assim, a telefonista se conectava para saber com quem o assinante desejava falar, estabelecendo em seguida, a ligação solicitada.
Esse tipo de painel com janelas de aviso foi inventado antes do telefone e era usado por estabelecimentos como, por exemplo, hotéis de luxo.
Painel elétrico de aviso, anterior à invenção do telefone.
Nas centrais telefônicas, juntamente com o painel de aviso, havia um sistema que permitia ao operador atender às chamadas das pessoas e conectá-las com os telefones desejados. O primeiro painel comercial para
comutação, feito em 1878, era bastante primitivo, podendo atender apenas 8 assinantes e fazendo apenas 4 ligações por vez.
Fotografia do painel para computação de linhas telefônicas, utilizado em New Haven, em 1878.
Desenho do primeiro painel para computação de linhas telefônicas.
Sistema de bateria central
Uma evolução do sistema de ligação a
magneto, que convive até a segunda metade do século XX com os telefones automáticos, é o de bateria central. Tinha este nome pois o sistema de baterias que energiza o circuito telefônico ficava na
central telefônica, dispensando as enormes pilhas dos aparelhos residenciais.
Quando uma pessoa queria fazer uma ligação, tinha apenas que tirar a parte móvel do telefone do corpo do aparelho, que ficava na mesa ou na parede, deixando assim de pressionar o
interruptor que, funcionando de maneira oposta aos botões da campainha, permitia que a
corrente elétrica passasse, chegando até a
central telefônica.
Os fios desse telefone estavam ligados a um dispositivo de sinalização no painel da central. Assim, quando a pessoa pegava o fone para falar, aparecia um sinal no painel da telefonista, uma pequena janela (drop) ou lâmpada, indicando que alguém queria fazer uma ligação.
A partir daí, o processo se assemelhava ao do
magneto. Por meio de
interruptores ou conectores semelhantes aos de fones de ouvido, os "jacks", a telefonista ligava seu próprio aparelho telefônico aos fios daquela linha e, conversando com a pessoa que havia feito a ligação, pedia o número com o qual gostaria de falar. Solicitava que esperasse e, através dos jacks, ligava os fios do telefone a ser chamado em um dispositivo que acionava sua campainha. Quando a segunda pessoa atendia - tirando o fone do corpo do aparelho - a campainha era desligada e seu telefone ligado à telefonista. Ela, por sua vez, informava que a primeira pessoa desejava falar e saía da linha, completando a ligação. Finalmente, as duas pessoas conseguem conversar diretamente, liberando a telefonista para cuidar de outras ligações.
Como funcionava?
Quando um hóspede desejava chamar um funcionário, apertava um botão que enviava um sinal elétrico a um painel, na portaria do hotel, mostrando o número do quarto a ser atendido. Imediatamente, um funcionário subia ao quarto para verificar o que o hóspede precisava.
Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.
Centrais automáticas Passo a Passo
Pouco tempo após a invenção do telefone e das centrais de
comutação, surgiu a ideia de automatizar as ligações entre as várias linhas existentes. Ou seja, a pessoa que desejasse telefonar acionava mecanismos que enviavam sinais elétricos à central automática, ligando seu aparelho ao telefone da pessoa com quem desejava falar, sem a ajuda das telefonistas.
Em 1879, os irmãos Thomas e Daniel Connelly, juntamente com Thomas J. McTighe, patentearam o primeiro sistema em que um usuário podia controlar um mecanismo de
comutação a distância.
Esquema do sistema de comunicação automática de Connely e McTighe, mostrando acima o dispositivo principal localizado na central telefônica, e abaixo o sistema que deveria existir em cada telefone.
Como funciona
O aparelho, bastante primitivo, baseava-se nos telégrafos ABC de Wheatstone (físico inglês) e nunca chegou a ser usado. A parte principal do sistema era uma roda dentada, semelhante às usadas em relógios, que, movida por um eletroímã, percorria o espaço de um “dente” por vez.
Quando o eletroímã recebia um
pulso elétrico, atraía uma barra metálica que fazia a roda dentada girar um “espaço”, movendo um braço de metal que transmitia os
pulsos elétricos sucessivamente e estabelecia contato com as demais linhas.
Em 1884, Ezra Gilliland, da companhia Bell, desenvolveu um sistema de
comutação automática mais simples, porém semelhante ao dos irmãos Connely e McTighe que podia trabalhar com até 15 linhas. Nesse sistema, que também não chegou a ser usado na prática, havia um contato metálico que pulava de uma posição para outra, quando o usuário apertava um botão, determinando o tipo de conexão que era estabelecida.
No entanto, um avanço realmente importante e surpreendente ocorreu em 1889, quando o agente funerário Almon B. Strowger, da cidade de Kansas, desenvolveu um sistema de
comutação automático que realmente funcionava.
O sistema automático Strowger
Almond Strowger
Conta a história que Strowger desconfiava que as telefonistas desviavam, propositalmente, as ligações destinadas a ele para um outro agente funerário, seu concorrente. Por isso, resolveu inventar um sistema que dispensasse o intermédio delas.
Após vários estudos e tentativas, Strowger construiu, com a ajuda de um relojoeiro, um sistema que atenderia 100 linhas telefônicas, que foi patenteado em 1891. A invenção deu tão certo que, no mesmo ano, Strowger fundou a Automatic Electric Company para comercializá-la.
A primeira
central telefônica automática a usar o sistema de Strowger foi aberta em 1892 em La Porte, Indiana, EUA. Na década que seguiu, foram instaladas mais de 70 centrais destas nos Estados Unidos.
O que Strowger fez foi aperfeiçoar os aparelhos anteriores, com uma diferença bastante importante: o sistema se movia dentro de um cilindro, podendo girar, tanto em torno de seu eixo como também para cima e para baixo.
Como funciona
O cilindro tinha, em sua parte interna, 10 fileiras com 10 contatos metálicos cada uma, totalizando 100 contatos. A “vassoura” ou “escova” metálica central podia então se deslocar facilmente e escolher um dos 100 contatos, que representavam, cada um deles, uma linha telefônica.
O sistema Strowger de comutação automática: esquema (esquerda) e fotografa de um dispositivo de 1902 (direita).
O dispositivo existente na própria
central telefônica faz as conexões entre as linhas. O dispositivo colocado nos aparelhos dos usuários enviam os sinais à central, informando o número do telefone com o qual se quer fazer conexão.
Representação esquemática de um dispositivo de comutação com 100 linhas, cada uma delas ligada a um telefone. O dispositivo precisa conectar os fios de telefone que está chamando (à esquerda) com qualquer uma das conexões dos outros aparelhos.
Inicialmente, o funcionamento era bem diferente: o usuário tinha dois botões na caixa do telefone, que deviam ser pressionados um certo número de vezes para chamar o número desejado. Por exemplo, para se conectar ao telefone número 34, era preciso apertar o primeiro botão 3 vezes e o segundo botão 4 vezes. Ao apertar cada um dos botões, um pequeno
pulso elétrico era enviado à
central telefônica, fazendo a roda dentada se mover um passo e acionar o aparelho de telefone desejado.
Como funciona
Quando uma pessoa queria telefonar para outra, ela tirava o telefone do
gancho, conectando-se assim à
central telefônica, e depois apertava os botões do seu aparelho.
Na central, o dispositivo ligado ao aparelho que fazia a chamada se movia na direção vertical, e depois na rotatória, girando dente por dente até fazer a conexão com o número desejado.
Em seguida, a pessoa que chamava girava a manivela do
magneto, acionando a campainha do outro aparelho.
Durante toda a conversa, o dispositivo Strowger se mantinha na mesma posição, ligando as duas linhas na
central telefônica. Ao final, era preciso apertar um botão que fazia o dispositivo voltar à sua posição original. Se a pessoa não apertasse o botão, as linhas continuavam conectadas.
O dispositivo original de Strowger era capaz de conectar apenas uma das 100 linhas telefônicas. Seria possível construir cilindros com maior número de contatos, o que era, obviamente, mais complexo do ponto de vista técnico.
Além dessa limitação, havia alguns outros problemas: para cada aparelho de telefone ligado à central, era preciso conectar grande quantidade de fios. Além dos que transmitiam a voz e dos que enviavam os sinais elétricos, eram necessários vários outros fios para mover o dispositivo automático, o que encarecia bastante o sistema, devido ao custo da fiação na época.
Cada aparelho de telefone conectado à rede precisava de seu próprio dispositivo na central, que também era caro e ficava parado durante a maior parte do tempo, devido ao pouco uso que se fazia do telefone na época.
Outro problema era que não havia um mecanismo que impedisse uma pessoa de conectar-se a um telefone que estivesse sendo usado. Com isso, ela podia ouvir e se intrometer na conversa, o que não acontecia nas centrais com telefonistas, que sempre verificavam se a linha estava ocupada.
Por fim, o problema estava na cabeça das pessoas que, ao terminar a conversa, deveriam lembrar-se de apertar um botão, fazendo com que o dispositivo Strowger voltasse à posição inicial; porém, isso nunca acontecia.
Como funciona a comutação automática
O aspecto essencial das centrais telefônicas automáticas é a possibilidade de manipular
interruptores elétricos a distância para conectar duas linhas telefônicas. Os dois dispositivos básicos das centrais telefônicas que precisam ser compreendidos são os seletores, com motores de passo, e os
relês.
Seletores com motores de passo
Em algumas das antigas centrais telefônicas automáticas ou eletromecânicas, a conexão entre uma linha e outra era feita por meio de
interruptores que giravam, movendo pequenas peças de metal, e mudavam de posição, fazendo com que estas peças encostassem-se a diferentes terminais, transmitindo os
pulsos elétricos e conectando as diferentes linhas existentes.
É fácil compreender a estrutura de um
interruptor giratório de várias posições, observando seus contatos elétricos. Difícil é entender a forma do controle da rotação desse dispositivo, que era feito por meio do chamado “motor de passo”, mecanismo acionado pelos sinais elétricos enviados por cada telefone para a central.
Para entender o papel de cada um desses dispositivos, vamos pegar como exemplo os também antigos relógios de pêndulo. Não é novidade para ninguém que, para um relógio funcionar bem, seus ponteiros devem se mover na velocidade certa. Nos relógios antigos, fazê-los girar corretamente era função do pêndulo, que a cada oscilação dava um pequeno empurrão na roda dentada. Essa roda, bastante parecida com uma coroa, era o dispositivo que controlava os ponteiros e que só poderia girar um dente a cada ida e a cada volta do pêndulo.
Agora imagine um sistema parecido com esse, mas no lugar de um pêndulo haveria uma pequena barra de ferro parada próxima a um eletroímã. Quando uma
corrente elétrica passava pelo eletroímã, ele atraía a barra de ferro, que só voltava à sua posição inicial com o fim dessa corrente. A cada movimento da barra de ferro, a roda dentada girava um dente. Se ligássemos e desligássemos essa corrente algumas vezes, a barra de ferro faria a roda dentada girar o mesmo número de dentes. Isto tornava possível que cada pessoa, por meio dos botões, emitisse sinais elétricos que faziam a roda chegar à posição desejada. Ou seja, apertando um botão 3 vezes, por exemplo, a roda dentada percorria 3 espaços.
O movimento da roda dentada era controlado a distância, por meio da eletricidade, bastando que houvesse uma pilha ligada a um
interruptor capaz de fazer a conexão com cada um dos terminais.
relês
Outro tipo de dispositivo importante é o
relê, um tipo de
interruptor que liga ou desliga a conexão entre dois aparelhos quando a eletricidade passa por um eletroímã, movimentando duas placas metálicas que se encostam e se separam.
Existem vários tipos de
relês. Em alguns deles, a placa de ferro que é atraída encosta em um contato e permite a passagem da eletricidade, que é interrompida quando o eletroímã é desligado.
Em outros, há dois eletroímãs que, puxando a placa de ferro para um lado ou para o outro, permitem a passagem da
corrente elétrica e estabelecem o contato. Ao enviar um segundo
pulso de eletricidade para o
relê, um eletroímã atua sobre o segundo, movendo a placa de ferro na direção contrária e, assim, interrompendo o contato.
Há também
relês com dois contatos. Quando a placa de ferro é atraída para um lado, ela estabelece uma ligação elétrica com um deles. Quando é atraída para o outro lado, faz contato com o outro.
Um sistema de
relês recebe sinais elétricos e estabelece uma ligação telefônica. Podem estar em duas posições: “ligados” ou “desligados”. Quando um
relê desse tipo está desligado, não deixa passar eletricidade, mas, se receber um
pulso elétrico, ele se liga e permanece ligado, como um
interruptor de parede que apertamos e fica ligado.
Esquema mostrando quatro relês conectados. O relê azul está ligado, e deixa passar eletricidade de um lado para o outro. Os vermelhos estão desligados.
Se um
relê estiver ligado e receber um
pulso, ele o transmite para o
relê seguinte que fica ligado e, logo em seguida, se desliga.
Esquema mostrando o efeito de um pulso elétrico no sistema de relês. O relê que estava ligado (acima, azul) passa o pulso para o relê seguinte, que se liga; e o que estava ligado se desliga.
Agora imagine uma sequência de vários
relês desse tipo, em que o primeiro está inicialmente ligado e todos os outros, desligados. Se esse sistema receber vários
pulsos elétricos, cada
relê irá desligar e transmitir o
pulso recebido para ligar o seguinte. Ou seja, com o primeiro pulso, o primeiro
relê se desliga, ligando o segundo. Com o próximo
pulso, o segundo
relê se desliga, acionando o terceiro, e assim por diante. Uma sequência de
pulsos elétricos vai “escolher” qual dos
relês ficará ligado conduzindo a
corrente elétrica.
Se cada um deles controlar uma ligação elétrica diferente, será possível, enviando sinais elétricos de um ponto distante, escolher qual das ligações será feita.
Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.
Nos primeiros telefones ligados a centrais automáticas, a discagem de um número era feita apertando-se um botão várias vezes, sistema que foi substituído posteriormente pelos discos.
Aperfeiçoamentos do sistema Strowger
Entre 1892 e 1894, Strowger, inventor das primeiras centrais automáticas, contratou Anthony E. Keith, Frank A. Lundquist e os irmãos John e Charles Erickson - que não tinham qualquer relação com o sueco Ericsson - para ajudá-lo a aperfeiçoar o seu sistema automático. De fato, foram estas pessoas, e não o próprio inventor, que aprimoraram o sistema, pois em 1896 Strowger teve problemas de saúde, afastando-se da companhia, morrendo em 1902.
Em 1893, Keith resolveu um dos problemas do sistema: não era mais preciso apertar um botão ao terminar a conversa, bastava colocar o telefone no
gancho para enviar um sinal à
central telefônica, que fazia o dispositivo de Strowger - a roda dentada - retornar à posição inicial. Além disso, Keith, Lundquist e os irmãos Erickson, em 1894, eliminaram a possibilidade de uma pessoa conectar-se a linhas já ocupadas.
Em 1896, Keith e os irmãos Erickson desenvolveram um sistema que eliminou também a necessidade de apertar os botões várias vezes, substituindo-os por um sistema que enviava sequências de
pulsos do aparelho do usuário para a central: o disco.
Aparelhos telefônicos com sistema de discagem de Strowger: modelo de 1899 (esquerda) e modelo de mesa, de 1905 (direta).
Detalhe do aparelho de discagem de Strowger, de 1899: disco externo (esquerda) e mecanismo interno correspondente (direita).
Como funciona
Quando o disco era girado, produzia uma série de
pulsos elétricos por meio de uma mola que, acoplada a ele, acionava duas placas metálicas que ficavam na parte interna do sistema. Acionadas, as placas que se encostavam e afastavam sucessivamente funcionavam da mesma forma que os
interruptores de botão quando pressionados várias vezes.
Para discar, uma pessoa tinha que girar o disco até a posição de um número e soltá-lo. Nesse momento, uma mola fazia o disco voltar à sua posição inicial, estabelecendo uma sucessão de contatos elétricos que, enviados à
central telefônica, tinham o mesmo efeito que o produzido no antigo sistema, quando o primeiro botão era pressionado um determinado número de vezes. Ao girar o disco pela segunda vez, repetia-se todo o processo, o que equivalia a apertar o segundo botão uma série de vezes. Além de facilitar a vida dos usuários, este sistema reduziu também o número de fios que ligavam cada aparelho à
central telefônica e, com isso, os custos.
É exatamente por causa desses discos, que foram usados durante quase um século, que hoje dizemos “discar um número”, embora grande número dos telefones não possua mais discos, e sim teclas.
No mesmo ano em que inventaram o sistema de discagem, Keith e os Erickson viram que este sistema possibilitava a ampliação da rede para 1.000 linhas telefônicas. Para isso, decidiram usar dois dispositivos ao invés de construir um maior. A ideia era simples: as linhas são divididas em “
troncos”, cada um com 100 linhas. Se cada
tronco usasse 10 dispositivos Strowger de 100 posições, seria possível fazer conexões entre 10
troncos, atingindo assim a quantidade de 1.000 linhas.
Setor de linha (1905) desenvolvida por Keith.
Nesse sistema, o primeiro número discado aciona um seletor simples - com apenas 10 posições – que estabelece a ligação com um dos 10
troncos. Ao conectar-se a este
tronco, o aparelho do usuário é ligado a um segundo dispositivo Strowger, e os dois números discados em seguida selecionarão a linha exata com a qual a pessoa deseja falar.
Após a instalação deste sistema, percebeu-se que não há limites para ele, pois é possível formar 10 grupos de 10
troncos - totalizando 10.000 linhas, por exemplo -, introduzindo mais uma etapa da discagem.
Sistema automático tipo Strowger (passo-a-passo) com varias etapas. Um telefone é ligado, primeiramente, a um dispositivo que tem 10 opções. Cada uma delas é ligada a um aparelho tipo Strowger com 100 ligações. Casa uma dessas 100 ligações pode levar a um outro aparelho Strowger, e assim por diante.
Bibliografia
MARTINS, ROBERTO. A Fundamentação da Telefonia através da História. Parte 1: Da Invenção ao Início do Século XX. Pesquisa realizada para a Fundação Telefônica, 2002.