Eletroscópio eletrônico
Newton C. Braga / Revista Saber Eletrônica n°330 (Julho/2000) pag. 61.
O simples toque de um componente delicado num objeto carregado de eletricidade estática pode danificá-lo de
modo irreversível. E isto não é tão difícil de acontecer: uma pessoa que caminhe num carpete num dia seco, pode
adquirir uma carga que eleva seu potencial a mais de 5000 volts facilmente! Nos laboratórios de Física estamos
acostumados a ver um aparelho simples que detecta a presença de cargas armazenadas num corpo, que é o
eletroscópio de folhas de ouro. No entanto, além deste aparelho
ser incômodo de se usar, exceto nas demonstrações em aula, sua
sensibilidade não é das maiores. A versão eletrônica apresentada
além de extremamente sensível por empregar componentes
eletrônicos pode ser transportada com facilidade, é muito simples
de montar. Os professores de Física e Eletrônica, se adotarem este
projeto poderão contar com um eletroscópio sofisticado pelo
princípio de funcionamento, sensível pela tecnologia, mas
muitíssimo simples de montar. Usando um transistor de efeito de
campo como elemento básico, cargas de pequenos objetos
tais como canetas, pentes, réguas plásticas ou até mesmo
embalagens de componentes podem ser detectadas.
Como Funciona:
Um transistor de efeito de campo tem a
corrente entre seu dreno e a fonte controlada pela tensão aplicada
à sua comporta. Este componente apresenta uma resistência de
entrada extremamente elevada, o que significa uma sensibilidade
muito grande aos sinais de entrada. Assim, se ligarmos na
comporta um eletrodo que pode ser uma esfera de metal, ou ainda
um anel de cobre, qualquer carga estática de um objeto que se
aproxime pode induzir uma tensão suficientemente alta para
alterar a condução de corrente entre o dreno e a fonte do transistor de efeito de campo. Para visualizarmos então
qualquer variação da corrente de dreno do transistor basta ligar um indicador
como por exemplo, um microamperímetro. No nosso caso, o que fazemos é
ligar o transistor e três resistores de modo a formar uma "ponte de Wheatstone".
Equilibrando-se a ponte com a ausência de cargas nas proximidades do sensor
podemos ter a agulha do instrumento no centro da escala (o medidor é do tipo
com zero no centro). Isto quer dizer que, dependendo da polaridade da carga
que aproximemos do sensor a corrente pode aumentar ou diminuir
desiquilibrando a ponte. Assim, basta observar a movimentação da agulha do
instrumento para que possamos não apenas ter uma idéia da quantidade de
carga armazenada num corpo, mas também determinar sua polaridade.
A alimentação do aparelho pode ser feita com quatro pilhas pequenas comuns ou uma bateria de 9 volts, levando
em conta de que o consumo é extremamente baixo, a durabilidade das pilhas ou bateria será muito grande. Um
ponto importante a observar neste projeto é que o transistor usado como amplificador também é extremamente
sensível a cargas estáticas elevadas. Assim, se o corpo carregado for tocado no sensor e sua carga for alta
corremos o risco de queimar o transistor, portanto, isso deve ser evitado.
Montagem:
Qualquer transistor de efeito de campo de junção (JFET) como o BF-245 ou MPF102 pode ser usado
uma vez que o circuito não é crítico. Em alguns casos existe até a possibilidade de troca dos terminais de dreno e
fonte sem que isto afete o funcionamento do circuito. Entretanto usando um equivalente é interessante inverter o
dreno e a fonte e experimentar em que posição se obtém maior sensibilidade. O indicador é um microamperímetro
com zero no centro. A corrente de fundo de escala não é crítica, podendo ficar entre 50µA e 500µA sem problemas.
Os resistores são todos de 1/8 W ou maiores. O sensor consiste de um anel de fio de cobre grosso encapado com um
diâmetro de 2 a 3 cm. Também poderá ser utilizada uma esfera de metal de 2 a 4 cm. de diâmetro, porém é
conveniente que seja encapada para evitar o toque acidental de um objeto com carga elevada no sensor, o que
poderia gerar uma tensão suficientemente alta para provocar a queima do transistor. A caixa para abrigar a
montagem deverá ser obrigatóriamente de material plástico.
Prova e uso:
Ligue o instrumento e ajuste P1 até que a agulha do microamperímetro vá a zero, depois atrite um
pente, caneta ou qualquer outro objeto que possa eletrizar-se com facilidade e aproxime este objeto do sensor.
A agulha do instrumento deverá movimentar-se. Se a agulha do instrumento tender a ultrapassar o fundo de escala
ou não se movimentar o suficiente, repita a experiência ajustando agora o trimpot P2. Este componente limita a
corrente de fundo de escala de acordo com a sensibilidade do objeto utilizado. Observe que em alguns casos a
simples movimentação de um objeto carregado a uma distância de vários centímetros já pode causar a deflexão da
agulha. Como o instrumento é extremamente sensível poderá
também ser utilizada uma antena telescópica como sensor
detectando assim até mesmo passagem de pessoas com cargas
estáticas armazenadas em seus corpos a uma boa distância.
O eletroscópio eletrônico pode resultar numa demonstração dos
processos de eletrização mais eficiente que o tipo tradicional
de folhas, graças à sua simplicidade. Se usar como sensor
uma esfera de metal, jamais encoste nela os corpos carregados
em teste pois pode haver queima do transistor. Aliás a queima
do transistor é algo que deve ser previsto em experiências com
cargas elevadas por isto é aconselhável ter um ou dois de
reserva para uma eventual substituição.
Lembre-se que em dias úmidos a possibilidade de corpos
reterem cargas por muito tempo diminui pois cargas "escapam"
para o ar úmido com facilidade descarregando assim os corpos
em pouco tempo. Uma experiência interessante consiste em
caminhar num tapete ou carpet e depois agitar as mãos diante
do sensor, mostrando-nos como nosso corpo pode acumular
uma grande quantidade de carga (eletricidade estática) que
pode com toda certeza danificar circuitos e componentes
eletrônicos sensíveis pelo simples fato de tocarmos ou
encostarmos em seus terminais.