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Eletroscópio para aulas de física e cursos técnicos (ART137)

Nos cursos técnicos de eletrônica e nas escolas do segundo grau a presença de cargas elétricas nos corpos é estudada como parte da Física denominada Eletrostática. O uso de um eletroscópio para experiências práticas é comum, mas a velha versão de folhas de ouro pode ser substituída por uma versão eletrônica. Da mesma forma, cargas estáticas são perigosas podendo afetar a integridade de componentes delicados como, por exemplo, os chips CMOS muito usados em lógica digital, computadores, microprocessadores, etc. Um meio simples de se detectar se um objeto está ou não carregado de eletricidade estática é com o uso de um eletroscópio. Um circuito para esta finalidade é o que descrevemos neste artigo.

 

O simples toque de um componente delicado num objeto carregado de eletricidade estática pode danificá-lo de modo irreversível. E isso 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 5 000 volts facilmente!

Nos laboratórios de física estamos acostumados a ver um simples aparelho que detecta a presença de cargas armazenadas num corpo que é o eletroscópio de folhas mostrado na figura 1.

 

 

No entanto, além deste aparelho ser incômodo de se usar a não ser em demonstrações em aula, sua sensibilidade não é das maiores.

A versão eletrônica que apresentamos além de extremamente sensível por usar componentes eletrônicos, pode ser transportada com facilidade e é bastante simples de montar.

Os professores de física e eletrônica podem contar com um eletroscópio sofisticado pelo princípio de funcionamento, sensível pela tecnologia mas simples de montar se adotarem este projeto.

Usando um transistor de efeito de campo como elemento básico cargas de pequenos objetos como canetas, pentes, réguas plásticas e mesmo embalagens de componentes podem ser detectadas com facilidade.

 

 

COMO FUNCIONA

Um transistor de efeito de campo tem a corrente entre seu dreno e a fonte controlada pela tensão aplicada a 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 cargas 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, conforme mostra a figura 2.

 

 

Para visualizarmos então qualquer variação da corrente de dreno do transistor é suficiente ligar um indicador como por exemplo um microamperímetro.

No nosso caso, o que fazemos é ligar o transistor e mais três resistores de modo a formar uma ponte de Wheatstone. Equilibrando 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).

Isso significa que dependendo da polaridade da carga que aproximemos do sensor, a corrente pode aumentar ou diminuir, desequilibrando a ponte.

Assim, basta observar a movimentação da agulha do instrumento para que possamos não só ter uma idéia da quantidade de carga armazenada num corpo como também determinar sua polaridade.

A alimentação do aparelho pode ser feita com 4 pilhas pequenas comuns ou uma bateria de 9 V. Como o consumo é extremamente baixo a durabilidade das pilhas ou bateria será muito grande.

Um ponto importante a ser observado 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 muita alta corremos o risco de queimar o transistor. Isso deve ser evitado.

 

 

MONTAGEM

Na figura 3 temos o diagrama completo do eletroscópio.

 

 

A disposição dos componentes numa pequena placa de circuito impresso é mostrada na figura 4.

 

Qualquer transistor de efeito de campo de junção (JFET) como o BF245, MPF102, etc. pode ser usado, já que o circuito não é crítico. Em alguns casos existe até a possibilidade de troca dos terminais de dreno e fonte sem que isso afete o funcionamento do circuito. No entanto, 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 50 uA e 500 uA sem problemas.

Os resistores são todos de 1/8 W ou maiores.

O sensor consiste num anel de fio de cobre grosso encapado com um diâmetro de 2 a 3 cm, conforme mostra a figura. Também pode ser usada uma esfera de metal de 2 a 4 cm de diâmetro. É interessante manter a capa para evitar o toque acidental de um objeto com carga elevada no fio condutor o que poderia gerar uma tensão suficientemente alta para causar a queima do transistor.

A caixa para montagem pode ser uma pequena saboneteira dando-se preferência aos tipos plásticos que podem ser encontradas com facilidade em supermercados.

 

 

PROVA E USO

Inicialmente, ligue o aparelho e ajuste P2 para que a agulha do instrumento vá ao zero.

Depois atrite um pente, caneta ou qualquer outro objeto que possa eletrizar com facilidade. Aproxime este objeto do sensor. A agulha do instrumento deve movimentar-se.

Se a agulha do instrumento tender a ultrapassar o fundo da 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 instrumento usado.

Veja que em alguns casos a simples movimentação de um objeto carregado a uma distância de vários centímetros já pode causar a movimentação da agulha.

O instrumento é extremamente sensível como o leitor pode perceber e pode ser usado com uma antena telescópica como sensor, detectando até mesmo a passagem de pessoas com cargas estáticas armazenadas em seus corpos a uma boa distância.

Nas aulas de física o eletroscópio eletrônico pode resultar numa demonstração dos processos de eletrização muito mais eficiente do que o tipo tradicional de folhas, graças à sua sensibilidade.

Se usar como sensor uma esfera de metal, nunca encoste nela os corpos carregados em teste, pois pode haver a queima do transistor.

Obs: como a queima do transistor é algo que deve ser previsto em experiências com cargas muito elevadas, e o transistor é um componente barato, se o aparelho for usado em escolas será interessante ter um ou dois de reserva para uma eventual troca em caso de necessidade.

Outro ponto importante a ser observado é que o instrumento pode ser substituído pela escala mais baixa de correntes de um multímetro comum.

Nas aulas de física o eletroscópio pode ser usado da mesma forma que o tipo convencional servindo para demonstrar se um corpo tem ou não cargas elétricas armazenadas e qual é a sua polaridade.

Lembramos que em dias úmidos a possibilidade de corpos reterem cargas por muito tempo diminui. As cargas "escapam" para o ar úmido com facilidade descarregando os corpos em pouco tempo.

Uma experiência interessante consiste em caminhar num tapete e depois agitar as mãos diante do sensor, mostrando como nosso corpo pode acumular grandes quantidades de carga que podem danificar componentes eletrônicos sensíveis quando tocamos em seus terminais.


LISTA DE MATERIAL

Q1 - BF245, MPF102 ou equivalente - transistor de efeito de campo de junção (JFET)

Resistores: (1/8W, 5%)

R1 - 1 M?

R2 - 10 k?

R3, R4 - 1 k?

P1 - 10 k? - trimpot

P2 - 10 k? - potenciômetro

Capacitores:

C1 - 1 pF - cerâmico

Diversos:

X1 - sensor - ver texto

S1 - Interruptor simples

B1 - 6 ou 9 V - 4 pilhas ou bateria

Placa de circuito impresso, suporte de pilhas ou conector de bateria, caixa para montagem, botão plástico para o potenciômetro, fios, solda, etc.

 

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N° do componente 

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