Trata-se de um circuito bastante simples que permite ao professor secundário, de física ou de química, demonstrar na prática diversas experiências relacionadas com a eletricidade e os alunos poderão aproveitá-la quer como trabalho escolar, quer como recurso para a feira de ciências.
Trata-se de um circuito bastante simples que permite ao professor secundário, de física ou de química, demonstrar na prática diversas experiências relacionadas com a eletricidade e os alunos poderão aproveitá-la quer como trabalho escolar, quer como recurso para a feira de ciências.
Os circuitos simples que podem ser elaborados, mesmo pelos não iniciados, oferecem possibilidades não só em aplicações práticas diretamente relacionadas com a eletrônica, como também em outros setores como, por exemplo, a física, a química e biologia e até mesmo a matemática
Como o nosso público leitor não é constituído somente por pessoas estritamente ligadas à eletrônica, mas também por estudantes, professores de outras áreas, etc., focalizamos neste número este interessante circuito dirigido especialmente aos professores secundários e aos alunos interessados em experiências deste nível.
Com ele, princípios interessantes e importantes da física e da química podem ser demonstrados na prática com facilidade, não se necessitando de material especial de laboratório ou de qualquer equipamento de difícil obtenção e alto custo.
Trata-se de uma fonte de alimentação com proteção contra curto-circuitos que permite a realização de experiências em que a corrente contínua é necessária e que também funciona como um provador de continuidade, fornecendo uma indicação visual bastante evidente.
Com ele o professor poderá contar com um recurso didático bastante importante que não só facilitará a transmissão da matéria em si, mas que também ajudará a despertar o interesse do aluno pela aula.
São as seguintes algumas das aplicações do aparelho nos cursos colegial, ginasial (fundamental e médio), vestibular e eletrônica:
a) demonstração dos materiais condutores e isolantes em aulas de eletricidade elementar;
b) prova da condutividade de soluções, em aulas de física ou química;
c) realização de eletrólise simples da água;
d) demonstração do funcionamento dos. capacitores - carga e descarga de um capacitor.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Conforme os professores sabem - e os alunos também - na rede de alimentação obtemos uma tensão alternada de 110 ou 220 Volts que não serve para a realização da maioria das experiências práticas que envolvam eletricidade, por diversos motivos.
O primeiro é que, para a maioria das experiências, necessitamos de corrente contínua e não alternada, caso específico da eletrólise e da carga e descarga de capacitores.
Poderíamos no primeiro caso (eletrólise) usar pilhas comuns (figura 1), mas seu gasto seria rápido e os efeitos não muito evidentes
No segundo caso necessitaríamos de uma tensão elevada demais para ser fornecida por pilhas de modo que elas não poderiam ser utilizadas.
O segundo é que, como a tensão da rede é algo elevada e o manuseio descuidado é normal por parte de não iniciados, tanto os professores como os alunos têm medo de operarem com equipamentos diretamente ligados à rede, em vista da possibilidade de curto-circuitos cujas consequências são bem conhecidas de todos (figura 2).
Assim, tendo em vista primeiramente a segurança do operador e em segundo lugar a possibilidade de obtenção de corrente contínua, conjugamos um circuito de proteção a um circuito retificador, ou seja, um circuito que converte a tensão alternada da rede em tensão contínua e que também é dotado de um dispositivo de proteção contra curto-circuitos acidentais. Bem manuseado pelo professor ou pelo aluno não haverá qualquer perigo de curto-circuito.
Deste modo, o circuito possui dois componentes básicos:
a) uma lâmpada de 40 ou 25 Watts que limita a corrente do circuito evitando, assim, a possibilidade de curto-circuitos, mesmo que as pontas de prova ou terminais de ligação usados para as experiências sejam ocasionalmente encostados um no outro e, ao mesmo tempo, serve para indicar a passagem de corrente;
b) um diodo semicondutor que é um dispositivo que permite a retificação da corrente alternada transformando-a em contínua pulsante já que opera segundo o princípio da condução de corrente num único sentido. (veja seu princípio de funcionamento no site).
Ligados em série, o diodo e a lâmpada, eles formam o circuito da nossa Fonte Experimental de Alta Tensão.
MONTAGEM
Para a montagem será recomendável a utilização de um soldador elétrico de solda de boa qualidade (60/40).
A fixação dos componentes será feita numa base de madeira de 10 x 10 cm e os componentes menores (fios e diodos) serão soldados numa ponte de terminais.
Os componentes são os seguintes:
a) Diodo semicondutor - este é realmente o único componente eletrônico da montagem. Trata-se de um diodo do tipo 1N4001, BY127, ou seja, um diodo para, pelo menos, 400 V x 1A. Evidentemente, qualquer outro diodo especificado para esta tensão e corrente servirá perfeitamente.
Na instalação desse diodo sua polaridade deve ser observada (figura 3).
b) Pontes de terminais - os componentes menores e os fios de ligação serão soldados em pontes de terminais que podem ser adquiridas já cortadas ou em pedaços de meio metro, sendo então cortadas pelo próprio montador nas dimensões exigidas.
c) Pontas de prova - estas podem ser elaboradas com pregos grandes isolados na parte da cabeça com fita isolante, pomo em que é feita a conexão do fio, conforme mostra a figura 4.
d) Soquete da lâmpada - este pode ser encontrado em qualquer casa de material elétrico ou mesmo supermercado.
e) Lâmpada de 25 ou 40 Watts. - também pode ser encontrada com bastante facilidade, pois trata-se de uma lâmpada incandescente comum. Sua tensão deve ser de acordo com a rede na qual o aparelho deve ser usado (110 ou 220 Volts).
f) Fios de ligação - no caso pode ser usado o cabinho comum para trabalhos de eletrônica, ou seja, fio rígido de capa plástica. Uns 3 metros serão mais do que suficientes para a montagem.
g) Cabo de alimentação - trata-se do fio duplo com o plugue no extremo através do qual é feita a conexão do aparelho à rede de alimentação. Esse cabo pode ser adquirido em casas de material eletrônico com o plugue já incorporado.
Acompanhando o diagrama (figura 4) e a disposição dos componentes (figura 5) o leitor, mesmo sem experiência, não terá dificuldade em completar a montagem.
EXPERIMENTANDO O APARELHO
Depois de conferir todas as ligações, coloque o plugue na tomada, mantendo as pontas de prova separadas. A lâmpada deve estar bem apertada no seu soquete.
Encoste, em seguida, uma ponta de prova na outra. A lâmpada deve acender imediatamente, indicando que o circuito se encontra em perfeitas condições.
O leitor observará que a lâmpada acende com brilho ligeiramente inferior ao normal. Isso ocorre porque, conforme dissemos, a unidade opera com corrente contínua pulsante obtida da retificação da corrente alternada da rede.
AS EXPERIÊNCIAS
1) CONDUTORES E ISOLANTES
Finalidade: com esta experiência o professor poderá demonstrar quais são os materiais condutores e isolantes.
Material adicional: lápis preto comum, papel, vidro, moeda, copo com água comum. Procedimento: encostando as pontas de prova nos materiais enumerados, a lâmpada deverá acender no caso dos condutores e permanecer apagada no caso dos isolantes.
É importante observar que o grafite dos lápis é boa condutora de eletricidade.
Para isso, encoste uma ponta de prova em cada extremo do grafite do lápis (figura 6), quando então a lâmpada brilhará normalmente.
No caso da água, a lâmpada poderá ter seu filamento ligeiramente avermelhado se existirem impurezas.
Se a experiência for feita com água destilada a lâmpada permanecerá completamente apagada, pois a água pura e isolante.
Explicação: Os condutores são materiais em que a circulação da corrente é possível. Se um material condutor for intercalado entre as pontas de prova a corrente chegará à lâmpada e esta acenderá normalmente. Se O material for isolante, não haverá circulação da corrente e a lâmpada permanecerá apagada.
2) PROVA DA CONDUTIVIDADE DE SOLUÇÕES
Finalidade: mostrar que a água pura é isolante, mas quando formando soluções com sais, ácidos ou bases é condutora de corrente elétrica.
Material adicional: copo com água (destilada de preferência), sal de cozinha, ácido de qualquer tipo e soda cáustica.
Procedimento: coloque no copo água (de preferência destilada) a as pontas de prova separadas em seu interior (figura 7).
Se a água for destilada a lâmpada permanecerá completamente apagada. Se na água existirem impurezas como os sais usados na sua purificação (caso da água potável), pode ser que a lâmpada acenda muito fracamente (o filamento apenas avermelhará).
O professor deve explicar que a pequena) condutividade manifestada se deve à presença de substâncias dissolvidas na água potável que a tornam ligeiramente condutora.
Em seguida, jogue uma pitada de sal na água e agite. O brilho da lâmpada deve aumentar, mostrando que a presença dessa substância dá origem a uma solução condutora.
O mesmo efeito será obtido jogando-se ácido ou base (soda cáustica).
O brilho obtido dependerá do grau de ionização da substâncias. Aos professores de química caberá analisar os efeitos obtidos em função disso.
Explicação: a dissociação em íons das substâncias jogadas na água permite a condução da corrente. Os portadores de cargas elétricas são os íons das substâncias dissolvidas e dissociadas.
No caso do Cloreto de Sódio (NaCl), que é o sal de cozinha, o sódio será o portador de cargas positivas (cátion) e o cloro será o portador de cargas negativas (ânion).
3) DEMONSTRAÇÃO DA ELETRÓLISE
Finalidade: com esta experiência demonstra-se a decomposição da água pela passagem de uma corrente elétrica no fenômeno conhecido como eletrólise da água.
A produção do oxigênio e do hidrogênio poderão ser facilmente constatadas.
Material adicional: copo de laboratório (becker), 2 tubos de ensaio, água destilada e ácido sulfúrico. Fios rígidos de cobre
Procedimento: dissolva o ácido sulfúrico na água na proporção de 1og de ácido para cada 100g de água. (Atenção: nunca jogue água no ácido, mas sim ácido na água!).
Dobre dois pedaços de fio de cobre rígido e coloque-os na posição indicada na figura 8, emborcando os dois tubos de ensaio.
Para emborcar os tubos encha-os de solução e vire-os sem a deixar cair, de modo que o tubo fique sem ar dentro, conforme mostra a figura. Em seguida, ligue uma ponta de prova em cada fio.
Observe que a ponta que faz conexão com o diodo corresponde ao polo positivo da fonte no tubo a ela ligado formar-se-á o oxigênio (que é negativo), enquanto que na ponta ligada à lâmpada que é o polo negativo, no tubo correspondente formar-se-á o hidrogênio (que é positivo).
Tão logo a alimentação do circuito seja ligada, bolhas de gás começarão a subir das pontas dos fios. Conforme dissemos são bolhas de hidrogênio e oxigênio que são recolhidas pelos tubos.
Explicação: pela passagem da corrente, a água decompõe-se em hidrogênio e oxigênio que se acumulam nos tubos. Como para cada duas partes de hidrogênio temos uma de oxigênio (observe a fórmula mínima de água), o tubo corresponde ao hidrogênio em pouco tempo terá o dobro do gás que o tubo corresponde ao oxigênio.
4) CARGA E DESCARGA DE UM CAPACITOR
Finalidade: demonstrar o princípio de funcionamento de um capacitor (garrafa de Leyden): o armazenamento de cargas elétricas sob determinado potencial e, portanto, de uma energia elétrica.
Material adicional: capacitor eletrolítico de 16 uF x 450 Volts.
Procedimento: O capacitor eletrolítico tem polaridade certa para a ligação (figura 9).
O lado corresponde ao invólucro metálico é o polo negativo enquanto que o terminal conectado por meio da tampa de borracha é o polo positivo. O capacitor deverá ser ligado corretamente nas experiências pois, se houver inversão, ele poderá danificar-se expelindo com violência a substância existente no seu interior.
Encoste a ponta de prova positiva, cujo fio vem do diodo ao polo positivo do capacitor e a ponta de prova negativa que vem da lâmpada ao polo negativo do capacitor, ou seja, sua parte externa (figura 10).
Uma pequena faísca ocorrerá mas a lâmpada não deverá brilhar normalmente. O capacitor estará carregado, adquirindo um potencial entre as armaduras de 150 Volts se a sua rede for de 110 Volts.
Agora, retire as pontas de prova e demonstre a descarga do capacitor do seguinte modo: pegue um pedaço de fio flexível e encoste uma ponta em cada terminal (armadura do capacitor).
Ocorrerá então a descarga com uma faísca brilhante e sonora.
Explicação: quando o capacitor é conectado a fonte, suas armaduras São submetidas a uma diferença de potencial contínua sob a qual se carregam. Uma das armaduras se carrega positivamente e a outra negativamente.
Mesmo desligadas as pontas de prova o capacitor mantém essa carga por algum tempo, dependendo esse tempo da sua qualidade e da umidade ambiente.
Para descarregar o capacitor curtocircuitam-se as armaduras. Nestas condições, os elétrons em excesso da armadura negativa escoam-se para a armadura positiva que os tem em falta havendo, portanto, uma neutralização.
