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.

Medidas a serem tomadas:

Objetivos das mudanças na linha telefônica:

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 no fio 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 idéia 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 transmissão 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 idéia 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, e 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, ou 1.300 km.

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 este 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 um outro método, cujo princípio físico pode ser entendido por meio da seguinte analogia:

Uma onda amortecida, que vai se enfraquecendo gradualmente.

O uso de bobinas de carga, 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 Heavisidem, 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 Heavisiden, vamos fazer a seguinte analogia:

Quando uma onda 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 onda, 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.

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 C.R fosse menor que 15.000. Porém, mesmo após verificar que, em certos casos, as linhas podiam ser usadas com C.R superior a 50.000, não houve suspeita de que a teoria de Preece estivesse errada.

1.2. Pesquisas sobre as bobinas de carga

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 à longa distância.

Pouco tempo depois, em 1890, a empresa de Bell contratou outro cientista: John Stone 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.

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.

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: Podendo, 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.

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 dada por uma fórmula complicada e depende da freqüência 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 onda dos sinais telefônicos, o resultado será satisfatório. Ou seja, quatro ou cinco bobinas por comprimento de onda 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 km.

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 idéia 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.

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.

Esquema de bobina de carga toroidal (esquerda)
e fotografias de bobinas de carga (loading coils)
do início 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, foi 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.