Sítio do Piropo

B. Piropo

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15/12/2008

< Nicola Tesla IV: A guerra das correntes >


George Westinghouse era um industrial conhecido e merecidamente respeitado. Além de muito rico, naturalmente. Seu apoio no início da carreira de Tesla teve um valor inestimável – que, como veremos mais adiante, foi mais que bem recompensado. Como os grandes industriais de seu tempo, começou amealhar fortuna com os direitos da patente de um invento: o freio a ar, concebido para ser utilizado em comboios de trens e ainda hoje empregado em grandes veículos. E se você achou o invento meio besta para iniciar uma fortuna tão grande, pare e pense um pouco sobre a dificuldade de frear (para os paulistas, “brecar”) simultaneamente dezenas de vagões de uma composição ferroviária usando um sistema de freio mecânico, como se fazia na época. Consta que quando ele procurava as empresas ferroviárias para “vender” sua idéia, ouvia infalivelmente a pergunta: “Você quer parar um trem de dezenas de toneladas com vento?” e era posto para correr – até que uma alma mais esclarecida decidiu dar-lhe algum crédito, testou o sistema, percebeu que funcionava e deu início a uma nova era na segurança dos transportes ferroviários.

Mas deixemos de divagações e voltemos ao tema.

Thomas Edison também era um rico industrial e igualmente respeitado – porém, penso eu, não tão merecidamente. Era o detentor da maioria das patentes que permitia a geração e distribuição de eletricidade em corrente continua, que no final do século dezenove abastecia Nova Iorque através da empresa Edison General Electric, de sua propriedade (e que mais tarde fundiu-se com uma segunda empresa e tornou-se a atual GE). Era financiado pela controvertida figura de John Pierpont Morgan, mais conhecido por J. P. Morgan, fundador do banco de mesmo nome e tido como o estereótipo do “capitalista selvagem”. Ambos, compreensivelmente, ferrenhos defensores das virtudes da Corrente Contínua, a CC.

O problema é que estas virtudes eram poucas. Principalmente se comparadas com as de uma segunda forma de gerar e distribuir eletricidade: usando Corrente Alternada, ou CA, aquela concebida e defendida por Tesla, da qual detinha a maioria das patentes.

Começou então a “guerra das correntes”. Edison e Morgan, defendendo com unhas e dentes o predomínio da CC, contra Tesla e Westinghouse, defendendo as virtudes superiores da CA (e o fato dessas virtudes serem superiores não é uma questão de opinião pessoal, é um fato: atualmente em todo o mundo a geração, transmissão e distribuição de eletricidade para os grandes centros se faz através da CA).

Foi uma briga feia. E não somente pelo tamanho do prêmio a ser conquistado, os direitos intelectuais sobre a forma de abastecer o planeta com energia elétrica: foi feia principalmente pelos métodos, digamos, pouco ortodoxos, adotados por Edison para defender suas idéias.

É desta época o comentário do próprio Westinghouse (obtido no < http://www.pbs.org/ > sítio do PBS): “Eu me recordo de Tom [Thomas Edison] dizendo ao público que a corrente contínua era como um rio tranqüilo cujas águas fluíam mansamente para o mar enquanto a corrente alternada era como uma torrente descendo violentamente um precipício. Imagine uma coisa dessas! Eles até mantinham um professor, um certo Harold Brown, que fazia seguidas palestras públicas... e eletrocutava cães e velhos cavalos no próprio palco para mostrar como a corrente alternada era perigosa” (I remember Tom [Edison] telling them that direct current was like a river flowing peacefully to the sea, while alternating current was like a torrent rushing violently over a precipice. Imagine that! Why they even had a professor named Harold Brown who went around talking to audiences... and electrocuting dogs and old horses right on stage, to show how dangerous alternating current was). Consta que até mesmo um elefante foi eletrocutado em uma destas “palestras” no parque de diversões de Coney Island, muito popular na Nova Iorque da época.

Na verdade os golpes usados pela dupla Edison / Morgan em defesa de seu monopólio de geração e distribuição de eletricidade foram tão baixos que, sabendo que certo William Kemmler, condenado à morte por assassinato, seria executado em agosto de 1890, o Professor Brown (Deus do céu, o que será que esta deformidade da espécie humana lecionava?) conseguiu a aquiescência das autoridades (in)competentes para eletrocutá-lo. E o fez usando um gerador de CA fraudulentamente adquirido de Westinghouse. A morte foi descrita como “um espetáculo horroroso, pior que o enforcamento” e, para tornar claro que o instrumento usado foi um gerador de CA, a técnica foi apelidada de “westinghousing”. E deu origem a uma das formas mais cruéis de execução, a cadeira elétrica.

Mas quais eram as idéias em torno das quais estes senhores se empenharam em batalha tão mortal (literalmente)?

É comum, nas aulas de eletricidade, efetuar comparações entre o fluxo abstrato de corrente nas redes elétricas e o fluxo efetivo de água nas redes hidráulicas. Nesta analogia, a tensão elétrica (ou, como é freqüente e erradamente chamada, “voltagem”) é comparada ao potencial hidráulico ou altura do líquido no ponto de onde é distribuído, a intensidade da corrente elétrica é análoga à vazão da água através das tubulações e a resistência elétrica é comparada ao atrito viscoso provocado pela rugosidade interna dos condutos, que provoca a chamada “perda de carga”, por sua vez análoga à queda de tensão. Desta forma é perfeitamente viável usar circuitos hidráulicos para analisar circuitos elétricos (e as equações que constituem os modelos matemáticos dos dois fenômenos são incrivelmente similares).

Em uma cidade, a distribuição de eletricidade em corrente contínua é muito semelhante ao sistema de distribuição de água e coleta de esgotos desta mesma cidade. Da próxima vez que você estiver viajando por uma estrada que passa próxima a uma pequena cidade do interior, repare. Procure nas vizinhanças e você muito provavelmente encontrará, no alto de um morro, a “caixa d’água”. É o reservatório de distribuição e em geral é bastante visível por se situar, sempre, em um ponto alto (consta que, em uma pequena cidade do interior do Rio Grande do Sul, aproveitando-se do fato de ser a caixa d’água visível de qualquer ponto da cidade, o prefeito cismou que deveria construi-la com a forma de uma cuia de chimarrão para homenagear as tradições locais; usaram-se todos os argumentos possíveis para convencê-lo do contrário: que com aquele formato a relação entre volume de concreto e volume de água armazenada seria desfavorável, que montar as formas da estrutura em forma de cuia sairia mais caro, o diabo; nada adiantou; foi um astuto engenheiro da obra que logrou convencê-lo com um argumento definitivo: com a forma desejada, aquela bela estrutura corria o sério risco de ser apelidada pela população de “o cuião do prefeito” – e somente então o alcaide desistiu da idéia).

Mas estamos novamente divagando. Voltemos ao curso de nossos pensamentos. Da caixa d’água, o ponto mais alto e, portanto, com maior potencial hidráulico, partem as tubulações de distribuição que se ramificam por toda a cidade, enchem as cisternas ou reservatórios das casas, cuja água escoa pela rede interna, é usada, transforma-se em esgoto sanitário e escoa para o ponto mais baixo, em geral (sendo a cidade civilizada) uma estação de tratamento de esgotos próxima do rio que banha a cidade (não sendo, direto ao rio, que é o ponto mais baixo). Veja a Animação 1 (preparada há muitos anos para as minhas aulas de Tratamento de Efluentes Líquidos e que eu jamais imaginei que iria usá-la nestas plagas) para ter uma idéia mais concreta do sistema.

CLique para ver a animação...

Figura 1: Sistema de distribuição de água
e coleta de esgotos (Clique para ver a animação).

A altura do reservatório (ou “cota”, para os engenheiros mais exigentes) corresponde ao potencial hidráulico. A altura (“cota”) do ponto de descarga dos esgotos no rio (que não aparece na figura) corresponde, neste sistema, ao potencial hidráulico mais baixo que, portanto, para todos os efeitos práticos, podemos considerar nulo. A diferença entre estas duas cotas corresponde à diferença de potencial hidráulico, a “força” (na verdade, a força da gravidade, que tudo atrai para baixo) que “empurra” a água através de todo o sistema – e que em um sistema de distribuição elétrica corresponderia à diferença de potencial elétrico, ou tensão de alimentação do sistema.

A vazão de líquido que flui pelas tubulações de água e esgotos corresponde, no sistema de distribuição de energia, à corrente elétrica nos condutores. E, no sistema hidráulico, a queda de potencial hidráulico provocada pelo escoamento e uso da água corresponde, no sistema elétrico, à queda de tensão provocada pela resistência dos condutores e consumo de potência nos dispositivos elétricos.

Como eu disse, esta técnica de distribuição de água é análoga à distribuição de energia em corrente contínua, ou CC. O que torna mais fácil entender a animação 2.

CLique para ver a animação...

Figura 1: Sistema de distribuição de água
e coleta de esgotos (Clique para ver a animação).

Repare na animação. O ponto de maior potencial elétrico do sistema é o terminal positivo do gerador de CC ou “dínamo” (assinalado com um sinal de adição, “+”). Seu potencial elétrico corresponde ao potencial hidráulico do reservatório de distribuição, ou “caixa d’água” da Animação 1 (na figura ele é representado pela barra azul). Já o ponto de menor potencial elétrico corresponde ao terminal negativo do dínamo (assinalado com um sinal de subtração, “-”). Na animação ele é representado pela barra vermelha. Estranhou? Não deveria ser zero? Bem, considere que a barra vermelha representa o mesmo potencial representado pela barra azul (as barras são da mesma altura), porém com sinal negativo. Portanto, a diferença de potencial efetiva entre os dois terminais corresponde à soma das alturas das duas barras (eu sei que esta é uma forma meio complicada de representar a diferença de potencial em um sistema de fluxo elétrico em CC, mas ajudará muito a entender o sistema de fluxo em CA que veremos na próxima animação).

Veja como a coisa funciona. Os elétrons deixam o ponto de potencial mais alto e buscam o de potencial mais baixo exatamente da mesma forma como a água flui do reservatório de distribuição para o rio. E tentam atravessar qualquer obstáculo que se interponha entre estes dois pontos, desde que conduza eletricidade. Como é o caso da lâmpada da animação (que poderia igualmente ser um motor elétrico), cujo filamento se deixa atravessar pelos elétrons oferecendo certa resistência. Para vencer esta resistência os elétrons dissipam alguma energia que, além de fazer cair o potencial elétrico entre os dois terminais da lâmpada, aquece de tal forma o filamento que ele se torna incandescente, transformando a energia dissipada pelos elétrons em energia térmica (a lâmpada esquenta) e luminosa (o filamento incandesce). E, depois de atravessada a lâmpada, os elétrons continuam sua jornada em busca do menor potencial elétrico e seguem para o terminal negativo do dínamo. Cujo funcionamento, então, é análogo ao de uma bomba d’água: gasta energia para elevar o potencial elétrico transportando os elétrons recebidos em seu terminal negativo, de baixo potencial elétrico, de volta para o positivo, de maior potencial elétrico.

Olhando assim, é mais simples do que parece, pois não?

Pois então, à luz deste conhecimento, analisemos agora a Animação 3, que representa a transmissão de energia em corrente alternada.

CLique para ver a animação...

Figura 3: Sistema de distribuição
de eletricidade em CA (Clique para ver a animação).

(uma observação sobre a qualidade da animação 2: ela foi refeita e a maioria dos problemas resolvidos (eu acho...)).

Se você reparar nos dois terminais do gerador de corrente alternada (e não mais um dínamo, que gera CC) representado na animação, entenderá a razão pela qual este sistema é denominado de corrente “alternada”. Repare: não há mais um “terminal positivo” e um “terminal negativo. As tensões variam em ambos os terminais, se alternando entre positivas e negativas. Quando um dos terminais produz (“gera”) uma tensão positiva, o terminal oposto produz uma tensão igual, porém negativa (entendeu agora porque usei as duas barras coloridas para representar tensões positivas e negativas?). Ou seja: a diferença de potencial é sempre mantida entre os dois terminais, mas ao contrário do sistema em CC, no qual o terminal positivo é sempre positivo e o negativo sempre negativo, aqui eles permanentemente se alternam. E se alternam de acordo com uma variação senoidal (lembra da coluna anterior sobre Tesla, que abordava os campos giratórios? Se não, vá até lá para refrescar a memória e relembrar a variação senoidal). Repare na variação da tensão no terminal da esquerda, representada pela pequena esfera amarela que se move senoidalmente. Veja como, quando ela se encontra do lado de cima do eixo horizontal (que corresponde à tensão zero), a barra representativa da tensão no terminal correspondente está azul (positiva) e com um comprimento (valor da tensão) proporcional à distância entre a esfera e o eixo horizontal. E veja como, quando a esfera passa para a parte de baixo (correspondente às tensões negativas), o valor da tensão no terminal esquerdo passa a ser representado por uma barra vermelha (negativa) cuja altura continua se mantendo proporcional entre a distância entre esfera e eixo horizontal.

Bem, nesta altura dos acontecimentos você deve estar pensando que o esquema é fácil de entender. O que não é fácil de entender é como diabos essa tensão variável pode fazer a lâmpada acender e os motores funcionarem (se for assim, não se preocupe: conheço um competentíssimo engenheiro eletricista, hoje aposentado, que passou a vida projetando sistemas de distribuição de eletricidade em CA de alta tensão e dia desses confessou que, apesar de jamais haver cometido um erro técnico de monta e de ter seus projetos sempre muito bem avaliados, jamais consegui entender exatamente como funciona a CA).

Vou tentar explicar.

Repare no movimento dos elétrons (enquanto a correção não for feita, apenas durante os primeiros quinze ou vinte segundos após o início da animação, por favor). É um típico movimento de vai-vem que se alterna exatamente na mesma freqüência com que se alternam as tensões entre os dois terminais do gerador (nos sistemas comerciais, cinqüenta ou sessenta vezes por segundo, conforme o país ou localidade). Ou seja: os elétrons já não percorrem todo o caminho entre os pólos do gerador. Eles apenas “empurram” os elétrons à sua frente no interior do condutor em um sentido ou no oposto, dependendo do lado onde está a maior tensão naquele exato momento. E ficam, nesse vai-não-vai, indo e vindo apenas em um pequeno trecho do condutor. Ou seja: para transferir a mesma potência elétrica, os elétrons se movimentam muito menos, percorrem um trecho muito menor do condutor e, portanto, precisam vencer uma resistência muito inferior.

E funciona?

Bem, se você tem dúvidas, veja o que ocorre quando retirar a tomada de força da traseira deste computador que está usando para ler estas mal traçadas (se for um computador portátil alimentado por bateria, o exemplo não vale; mesmo porque a bateria entrega uma corrente contínua). Portanto, a CA funciona. Mas como?

Bem, para a lâmpada, é fácil entender (talvez não muito, já que o próprio Edison teimava em afirmar que suas lâmpadas incandescentes não funcionariam com CA): para dissipar calor e incandescer o filamento, tanto faz que os elétrons o atravessem de cá-para-lá ou de lá-para-cá. Pouco se lhe dá, desde que eles se movimentem e vençam a resistência elétrica do filamento.

E os motores? Bem, se você tem dúvidas quando a isto certamente não entendeu a epifania de Tesla no parque de Bucarest e não sabe como funciona um campo giratório. Porque a patente exibida na coluna anterior sobre Tesla é justamente a de um motor que funciona alimentado por corrente alternada. E para compreender o assunto basta uma nova visita à coluna.

Ora, se lâmpadas e motores elétricos funcionam, é o que basta para que um sistema de geração, transmissão e distribuição em CA possa ser usado na prática. E, em razão disso, Tesla e Westinghouse venceram a guerra das correntes.

Como isto ocorreu e quais são suas vantagens veremos na próxima coluna.

 

 

B. Piropo