Do laboratório para você

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Embora a Física, como disciplina escolar, não é muito popular entre os estudantes, os avanços e conquistas que por ela realizada transforma as nossas vidas ao longos dos séculos. Em particular, no século 20, com o advento da Física Quântica foi possível construir e desenvolver muitos dos dispositivos que temos em nosso cotidiano. Na coluna publicada em 20 de setembro de 2016 discutimos um pouco disso.

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Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 20 de setembro de 2016.

Do laboratório para você

As casas e as cidades em que vivemos hoje são muito diferentes daqueles de 100 ou 50 anos atrás. Nosso cotidiano está repleto de dispositivos e equipamentos que facilitam a vida: a revolução tecnológica que se iniciou no século 20 alterou de maneira profunda nossa forma de viver, começando pela hora de acordar. Alguém aí ainda usa um despertador à moda antiga, daqueles que soam tic-tac, tic-tac? Duvido.

Quase todo mundo opta pelos despertadores eletrônicos, em alguns casos, um rádio-relógio, e em muitos outros um smartphone programado para fazer um escândalo na hora marcada. Os telefones celulares atuais, aliás, já deixaram de ser telefones, no conceito original de seu inventor Graham Bell, há muito tempo. São, hoje, computadores com alta capacidade de processamento e armazenamento de dados, que permitem rodar inúmeros aplicativos e acessar a internet para gerenciamento de múltiplas tarefas, incluindo o armazenamento e troca de arquivos de textos, fotos, vídeos e áudio. Fazer ligações telefônicas está cada vez mais secundário – mas, para quem ainda o faz, a transmissão de voz é feita por meio de bandas digitais que operam na faixa de frequência das micro-ondas, similar à utilizada nos fornos que muitas pessoas têm na cozinha.

Ao sair de casa, seja com um automóvel ou utilizando o transporte público, também estamos em contato com diversos dispositivos eletrônicos: automóveis e demais veículos são máquinas com sofisticadas tecnologias. Os motores de a combustão, por exemplo, são máquinas térmicas que, a partir da explosão do combustível no interior da câmara dos pistões, convertem a energia térmica liberada pela queima do combustível em energia mecânica. Esse processo é atualmente controlado por microprocessadores semelhantes aos que temos nos computadores, o que torna o processo mais eficiente. Que o digam os automóveis flex, que podemos abastecer tanto com gasolina quanto com etanol. Um sensor detecta a mistura do combustível, ajustando o funcionamento do motor.

Mas a energia mecânica produzida pelo motor não é utilizada apenas para movimentar os veículos. Ela é, também, convertida em energia elétrica para abastecer a bateria, responsável por suprir de energia cerca de uma centena de dispositivos eletrônicos presentes nos carros atuais, incluindo principalmente os sensores que ajudam na condução do veículo. Controladores de velocidade, suspensão ativa, direção elétrica, limpadores de para-brisa, câmbio automático, rádio, vídeo, sensores de estacionamento e ultrapassagem, espelhos eletrocrômicos que controlam o reflexo da luz, entre outros, são cada vez mais comuns nesses meios de transporte.

(foto: Pixbay.com / Domínio Público)

No ambiente de trabalho, seja ele a linha de produção de uma fábrica, um escritório administrativo ou até mesmo o campo, temos contato com computadores, operando-os direta ou indiretamente. Escrevemos, desenhamos, calculamos e nos comunicamos por meio de computadores. Máquinas em linhas de montagem de automóveis, por exemplo, são sofisticados robôs que executam tarefas – de um aperto de parafuso até a pintura das peças de um carro – programadas previamente. Máquinas agrícolas que usam controladores eletrônicos, tanto para a colheita como para o plantio, são comuns na agricultura em larga escala.

E, mesmo ao voltar para casa após um dia cheio, a tecnologia não nos deixa sós. A televisão a que assistimos antes de dormir, um dos aparelhos mais presentes em todos os lares brasileiros, evoluiu muito desde sua invenção na década de 1920. Deixou de ser um grande tubo no qual eram produzidas imagens pouco definidas para se transformar nos modernos televisores com tela de LEDs (dispositivos emissores de luz) orgânicos que permitem imagens tridimensionais de altíssima definição e dispositivos especializados em gerar som de grande fidelidade. Quem não se deixa seduzir por imagens tão impressionantes? Sem falar que, hoje, boa parte das TVs já está conectada à internet, o que garante uma extraordinária variedade de conteúdo para ser acessado, inclusive com recursos interativos.

Das válvulas aos transístores

Os dispositivos eletrônicos começaram a ser construídos no início do século 20, com o desenvolvimento da válvula termiônica. Essa válvula, formada por um invólucro de vidro de alto vácuo e contendo vários elementos metálicos, tem como função controlar uma tensão através de um eletrodo, com ganho de amplificação, isto é, uma pequena tensão de entrada controla uma grande tensão de placa. Assim, como se fosse uma torneira, a válvula controla corrente e amplifica o sinal recebido.

Esse pequeno dispositivo fez uma grande diferença na tecnologia, pois permitiu o desenvolvimento do rádio, dos aparelhos de televisão e dos computadores. Foi utilizando as válvulas eletrônicas que se construiu, na década de 1940, o primeiro computador digital eletrônico, o ENIAC (de Electronic Numerical Integrator and Computer – computador integrador numérico eletrônico). Ele era utilizado para calcular trajetórias balísticas e representou um avanço enorme. Para se ter uma ideia, cálculos que demoravam 12 horas para serem feitos manualmente passaram a ser processados em apenas 30 segundos, com a ajuda de mais de 17 mil válvulas eletrônicas e a potência de 160 kW do ENIAC (equivalente a 40 chuveiros elétricos funcionando simultaneamente).

Mulheres operando o ENIAC, o primeiro computador digital eletrônico. (foto: Domínio Público)

Mas nossos computadores atuais não utilizam mais válvulas eletrônicas. Em dezembro de 1948, John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley, pesquisadores do Bell Labs (Estados Unidos), descobriram o feito transistor, que permitiu o desenvolvimento desse componente que foi o substituto das válvulas eletrônicas. Por essa descoberta eles foram laureados com o prêmio Nobel de Física de 1956.

Diferentemente do que acontece nas válvulas eletrônicas, nos transístores o controle da tensão é feito por materiais semicondutores que têm propriedades quânticas e a grande vantagem de poderem ser feitos de maneira compacta. Em 1958, foi construído o primeiro circuito integrado, com um transistor, três resistores e um capacitor, formando um sistema que podia transformar uma corrente contínua em alternada. Esse avanço permitiu, na década de 1970, construir os primeiros microprocessadores, que são o coração de todos os computadores.

A compreensão das propriedades fundamentais da matéria a partir do conhecimento dos fenômenos físicos envolvidos na escala atômica está no domínio da física quântica, que começou a ser desenvolvida no começo do século 20. Essa área da ciência é a principal responsável pelo grande desenvolvimento da eletrônica. Na medida em que a pesquisa básica foi avançando na compreensão dos processos quânticos que ocorrem nos materiais, novos dispositivos puderam ser criados.

Um exemplo disso foi a descoberta da magnetorresistência gigante pelos físicos Albert Fert, francês, e Peter Grünberg, alemão, no final da década de 1980. Nesse efeito, camadas com a espessura de alguns nanômetros de materiais ferromagnéticos, separados por um material não-magnético, se acoplam de maneira que, ao se aplicar um campo magnético, a resistência elétrica do dispositivo se altera significativamente. Esse dispositivo é aplicado nas cabeças leitoras dos discos rígidos de computadores e em muitos outros equipamentos, como o dispositivo de controle de estabilidade de alguns automóveis. Pela descoberta desse efeito, Fert e Grünberg ganharam o prêmio Nobel de Física de 2007.

Estamos muito acostumados com a tecnologia ao nosso redor, mas muitas vezes esquecemos que computadores, televisores, smartphones e outros aparelhos eletrônicos somente foram possíveis de serem inventados graças aos conhecimentos de física básica desenvolvidos ao longo do último século. Novos dispositivos que estão sendo lançados neste momento já possuem novas tecnologias decorrentes de novas descobertas da pesquisa básica feita em laboratórios de universidades e centros de pesquisa. Vale lembrar, portanto, que nosso conforto do dia-a-dia advém da ciência básica e, por isso, ela deve ser incentivada em todos os níveis. O leitor pode ter certeza de que o novo ‘brinquedo’ que estaremos usando em alguns anos vai começar – ou já começou – na bancada de algum laboratório no qual os cientistas procuram entender os segredos da matéria.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos