Telefone

02-02-2014 14:58

 

telefone

 

    A palavra “telefone” vem do grego e significa voz (“fone” não é semelhante a “fonema” por coincidência) à distância (“tele”). O primeiro nome que associam a esta tecnologia será certamente o do Alexander Bell, o cientista que submeteu a primeira patente do telefone (1876); ainda assim há outros nomes a lembrar, como Innocenzo Manzetti (inventou o conceito em 1844), Charles Bourseul (inventor da primeira ideia que poderia culminar no primeiro telefone, 1854), Johann Reis (colocou em prática a ideia de Bourseul, 1861; o problema deste “telefone” estava no “microfone imperfeito”),  Antonio Meucci (é agora reconhecido como o primeiro inventor do telefone, pois embora não tenha submetido a primeira patente, em 1860 fez a primeira demonstração pública do seu invento, o qual, supostamente, tinha inventado para falar à distância, a partir do seu laboratório, com a sua esposa que estava doente). Outros nomes poderiam ser lembrados, mas estes são os mais importantes na história do aparecimento do telefone.

 

    Se dois indivíduos se querem comunicar a uma distância cuja voz não consegue percorrer, terão que ter um “meio” que os ajude. Primeiro é bom relembrar porquê que a nossa voz não tem alcance infinito: um som é uma onda mecânica que se propaga em todas as direcções a partir do ponto de origem, pelo que à medida que se afasta da fonte, maior é o número de partículas às quais transmite a sua vibração (visto que o som é uma onda mecânica, ler O Mundo que Sentimos II); como tal, e dado que a energia é limitada, a vibração vai-se tornando cada vez mais ténue à medida que nos afastamos do ponto de origem, dado que a vibração se “repartiu” por um maior número de partículas (como uma gota de tinta que fica cada vez mais clara à medida que é absorvida por um pedaço de papel e se difunde nele). Sabendo isto, torna-se evidente qual a solução para se conseguir comunicar a maiores distâncias do que aquelas que nos permite a voz pelo ar: trocar o ar por outro meio, e de preferência um meio com poucas partículas, para que a vibração não se perca na “divisão” por muitas. Como referido no O Mundo que Sentimos II), o outro meio deverá ser um sólido, pois nesse tipo de meio as partículas interagem mais fortemente, pelo que a passagem de uma vibração entre elas se torna mais “efectiva”. Diminuir o número de partículas é simples: em vez de fazer o som propagar-se em três dimensões, limitamos o sistema apenas à direcção que nos interessa, fazendo o som passar por um fio que leva a nossa mensagem até àquele que queremos que a receba. Deste modo chegamos ao conhecido telefone com fio e copos de plástico, que talvez já tenham criado na vossa infância. É claro que este sistema tem vários problemas, a começar pelo facto de que se o fio estiver em contacto com outros materiais, provavelmente a vibração não se irá propagar de modo tão efectivo. A solução para este problema já vocês a sabem: em vez de vibrações mecânicas, usemos antes correntes eléctricas!

 

Alexander Bell (1847-1922).

 

    Esta foi de certo modo a ideia de Charles Bourseul: “Suponhamos que um homem fala próximo de um disco móvel suficientemente flexível que não perca nenhuma das vibrações da voz; este disco, por seu lado, produz e desfaz correntes de uma bateria: poderemos então ter a uma dada distância outro disco que irá executar simultaneamente as mesmas vibrações… É certo que, num futuro mais ou menos próximo, a conversação irá poder ser transmitida através de electricidade.” (Nota: não é simultâneo, mas é suficientemente rápido para que não se note o facto de não ser simultâneo.)

 

    Antes de prosseguir, lembro que a ideia de transmitir informação através de electricidade não começou com o telefone, mas sim com o telégrafo (escrita à distância), ou melhor, com o telégrafo eléctrico, pois até os sinais de fumo podem ser considerados como telegrafia. Samuel Morse foi o inventor do telégrafo (1837), tendo inventado também o código Morse, pois sem uma linguagem, o telégrafo não serviria para nada (tal como os sinais de fumo tinham que ter um significado pré-acordado entre o emissor e o receptor; aliás, o mesmo acontece com o telefone: o emissor e o receptor têm que falar a mesma língua, caso contrário não se irão entender). Pelo que leram em cima, e se conhecerem um pouco do código de Morse, já deverão estar a adivinhar qual a ideia: o emissor produz uma mensagem através da produção intermitente de correntes eléctricas, as quais ao chegarem ao receptor produzem um efeito qualquer observável – por exemplo o acender de uma luz, cujo piscar irá representar a mensagem do emissor.

 

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Samuel Morse (1791-1872).

 

    Em cima falei da linha, a qual para deixar passar uma corrente eléctrica terá que ser condutora (cobre é o condutor de eleição, actualmente). Falta compreender como é que o som é transformado em corrente eléctrica e como a corrente eléctrica é transformada em som (ainda que Bourseul já tenha dado umas dicas). Para transformar o som em corrente eléctrica precisamos daquilo a que chamamos de microfone; à tecnologia que faz o contrário chamamos altifalante.

 

    O microfone foi inventado pelo Alexander Bell. Desde Bell, muitas versões já foram inventadas, pois existem muitas formas diferentes de transformar uma vibração mecânica num sinal eléctrico (cuja informação corresponde à vibração, claro). Um exemplo é o chamado “microfone dinâmico”, que usa a indução electromagnética para transformar o sinal sonoro em sinal eléctrico. Sem entrar em muitos pormenores: o microfone possui uma membrana (que vibra em concordância com o som apresentado), esta membrana transmite a sua vibração a uma pequena bobina (enrolamento de fio). Como já expliquei noutros artigos (ver, por exemplo, como fazer um motor homopolar), quando passa uma corrente eléctrica por um fio, este cria um campo magnético; por outro lado, um campo magnético (não constante) consegue criar correntes eléctricas. Neste caso, o microfone possui no seu interior um magnete, o qual produz um dado campo magnético que “passa” pela tal bobina. A bobina ao vibrar devido ao som, irá “sentir” variações de campo magnético (pois este apesar de ser constante, não é igual em todos os pontos do espaço), as quais produzem uma corrente eléctrica na bobina. Esta corrente eléctrica é “modulada” pela vibração, uma vez que é sua consequência. (Naturalmente, um microfone mais sofisticado poderá ter mais que uma bobina, para responder com melhor precisão a diferentes gamas de frequências de vibração. O princípio será basicamente o mesmo, haverá apenas uma engenharia adicional para filtrar as frequências para cada bobina, para finalmente se “somar” tudo.) Relembro que este é apenas um exemplo, existem outras formas bem diferentes desta para transformar um som numa corrente eléctrica.

 

    Na história do altifalante voltamos a encontrar Johann Reis e Alexander Bell, bem como outros nomes conhecidos: Ernst Siemens e Nikola Tesla (entre muitos outros). Também nesta tecnologia irei dar apenas uma ideia de como pode ser implementada, deixando porém muito por dizer. Neste caso, o altifalante recebe uma corrente eléctrica e transforma-a no som que vinha codificado nessa corrente. Na imagem seguinte têm um esquema simples de um altifalante:

 

altifalante

    

    Pela bobina passa o sinal eléctrico. Como disse antes, uma corrente numa bobina produz um campo magnético. Este campo magnético irá interagir com o campo magnético do íman. Como o íman está fixo, isto implica que a bobina irá oscilar, fazendo também o cone de papelão (que também pode ser de outros materiais) oscilar, visto este estar “colado” à bobina. Por outras palavras, o sinal eléctrico é transformado num sinal magnético, havendo assim uma interacção de dois componentes magnéticos que se podem atrair ou repelir dependendo do sinal eléctrico, que modula assim essa interacção, que faz o cone vibrar com a frequência e intensidade codificadas na corrente eléctrica, produzindo o respectivo som.

 

    Com o que expliquei até aqui já fazem uma ideia de como duas pessoas se podem contactar. Falta porém a parte de conseguir ter uma linha telefónica a ligar muitas casas, e não uma linha por cada ligação. Assim, os problemas que faltam responder são: de que modo é codificado um número de telefone; de que modo uma dada linha fica definida por esse número; e finalmente como se conseguem ter várias ligações a ocorrer em simultâneo numa mesma linha (bem como outros pormenores que irei abordar de seguida e outros que deixo para vocês pensarem e pesquisarem).

 

    Se queremos contactar o vizinho A e não o vizinho B, é necessário haver um sistema que faça a escolha. Como podem imaginar, inicialmente se eu queria falar com dois vizinhos diferentes, tinha que comprar uma linha que me ligasse a um, e outra linha que me ligasse ao outro. Com o aumento de linhas, o natural será que tenhamos cada um de nós uma linha a sair de nossa casa que vai dar a uma central. Nessa central tem que haver alguém que ligue as linhas correctas. Isto foi feito, e atribuíram-se números às linhas, de tal modo que ao se telefonar para a central se dizia um número, que permitia à telefonista ligar a nossa linha à linha do nosso vizinho A. O sistema tinha o inconveniente óbvio de necessitar de um número de telefonistas proporcional ao número médio de telefonemas feitos por minuto, de modo a não haver muito tempo de espera. Naturalmente, estes telefones tinham um sistema simples para alertar a chegada de uma chamada: a corrente eléctrica fazia tocar uma campainha, a qual só deixaria de tocar assim que o telefone fosse “levantado” (o que servia assim de interruptor para “calar” a campainha e deixar passar o sinal eléctrico codificado com o som; e também fazia interromper um outro sinal que era enviado para o emissor, para este saber que já podia falar). Na verdade, os primeiros telefones usavam 7 fios, para separar todos os sinais necessários. Isto era uma grande desvantagem da tecnologia, pois tornava a rede muito cara de ser implementada. Pequenos “detalhes” de engenharia permitiram diminuir o número de fios, sabendo fazer uso, por exemplo, de sinais contínuos sobrepostos aos sinais “oscilantes” (pois há componentes eléctricos que se comportam de formas distintas perante o tipo de sinal eléctrico “apresentado”, como detalharei noutros artigos).

 

    Para se substituir as telefonistas, em 1891, Almon Strowger submeteu a patente do telefone de disco, o qual transformava o processo manual em algo automático. O emissor girava um disco (escolhendo o número desejado), o qual era então um sinal eléctrico (conhecido por sinalização decádica) que ao chegar à central fazia o circuito conectar-nos à linha desejada. O princípio básico do disco é extremamente simples: um 1 é representado por um pulso eléctrico, o 2 por dois pulsos, o 3 por três, …, o 0 por dez pulsos. Os algarismos demoram assim um tempo diferente a serem discados, exactamente por cada um deles ser uma sequência diferente de pulsos eléctricos. Na central há um circuito eléctrico que faz a contagem e “encontra” qual a linha correspondente àquela sequência. (Até aqui falei apenas numa só central, mas é claro que o conceito pode ser generalizado para múltiplas centrais.)

 

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    Por fim, como é que não ouvimos a conversa do vizinho? Este problema foi resolvido com os fios “torcidos”, ou seja, com os fios a fazerem “tranças” (como as do cabelo, ver imagem seguinte). Esta solução, inventada também pelo Alexander Bell, foi principalmente necessária para resolver o problema da interferência com as linhas de electricidade. Como já aqui referi várias vezes: uma corrente eléctrica produz um campo magnético e por sua vez este campo magnético afecta correntes eléctricas que passem junto de si. Assim, os fios de electricidade criam campos magnéticos que interferiam com as comunicações. Porém, tal não aconteceria se o campo magnético não “visse” nenhuma corrente: é isto que os fios torcidos fazem em boa aproximação, pois têm no seu interior duas correntes eléctricas a passar em sentidos contrários, o que cancela o efeito magnético um do outro, ficando assim imunes ao campo magnético dos fios da rede eléctrica. Ao cancelarem o seu efeito magnético, perdem também a capacidade de interferir com outras correntes eléctricas nos outros fios telefónicos adjacentes. O uso de dois fios teve também a vantagem suplementar de aumentar a eficiência da comunicação, o que permitiu o uso de linhas telefónicas mais extensas.

 

 

    Haveria muito mais para contar, mas para não tornar o texto demasiado longo, fico-me por aqui. A tecnologia do telefone, como vêm, é o aplicar em conjunto de muitas outras tecnologias simples, usando em consonância muitas boas ideias. Se tiverem questões (como é natural que tenham, dado que a explicação ficou muito incompleta), não se coíbam de as colocar em comentário.

 

Alexander Bell a fazer a primeira chamada de Nova York para Chicago: “número errado”.

 

 

Marinho Lopes (colaborador do Ciência com Todos e doutorando em Física na U. de Aveiro) - texto primeiramente publicado no Blog do autor: Sophia of Nature.

 

Ver original em: http://sophiaofnature.wordpress.com/2013/02/24/telefone/

 

Tópico: Comentários

Telefone

Data: 03-02-2014 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Gostei da explicação . Veio fazer-me relembrar alguns conhecimentos que andavam um pouco esquecidos.
Mas pensar no que já se evolui em termos de comunicação, é absolutamente espantoso.
A Ciência, em alguns anos, evoluiu mais que em século, penso eu Mas para isso foi preciso "subir ao ombro dos gigantes" que forneceram as bases.
Parabéns pelos seus artigos.
Um abraço.

Re:Telefone

Data: 07-02-2014 | De: Marinho Lopes

Obrigado. :)
De facto, o avanço tem sido exponencial. O mais difícil era deslindar a Física fundamental, e uma vez isso feito, a engenharia/ tecnologia conseguem evoluir rapidamente, porque têm uma base teórica sólida com que trabalhar. Além disso, o investimento na tecnologia acaba por permitir esse avanço, porque o próprio avanço cria novos meios de financiar a investigação futura. É como que um processo de feedback positivo, que acaba por explicar o desenvolvimento exponencial, na minha opinião.

Abraço.

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