Uma montagem de grande utilidade para o laboratório de física e também para quem precisa detectar cargas elétricas estáticas é o eletroscópio eletrônico que descrevemos. Diferentemente do tipo tradicional de folhas de ouro, este circuito é totalmente eletrônico e tem enorme sensibilidade. Trata-se de uma montagem que permite a realização de uma boa quantidade de experimentos na sala de aula e no laboratório. O mais importante é que os componentes usados são comuns e de baixo custo.
Nota: Este artigo foi publicado na revista Mecatrônica Fácil 17 de julho de 2004
Nesta época de alta tecnologia não se justifica utilizar num laboratório de física o tradicional eletroscópio de folhas de ouro para realizar experimentos de eletrostática. O eletroscópio de folhas de ouro, é formado por um vidro no qual duas finas folhas de ouro são dobradas e ligadas a um eletrodo.
Quando um corpo carregado se aproxima do eletrodo, suas cargas se transferem para o eletroscópio (por contacto ou indução). Com as lâminas de ouro carregadas com cargas de mesmo sinal elas se repelem abrindo.
Pelo movimento dessas lâminas podemos então saber se um corpo se encontra ou não carregado de eletricidade estática.
A versão eletrônica que apresentamos opera segundo um princípio diferente, baseado nas propriedades de um dispositivo semicondutor moderno: o transistor de efeito de campo de junção. A sensibilidade desse dispositivo permite elaborar eletroscópios extremamente sensíveis.
Como Funciona
Num transistor de efeito de campo, cuja estrutura é mostrada na figura 2, a corrente que circula entre o dreno (d) e a fonte (s) depende da tensão aplicada a sua comporta.
O transistor de efeito de campo é tão sensível que, se um objeto carregado de eletricidade for ligado a sua comporta, a corrente entre o dreno e a fonte modifica-se enormemente.
Assim, para detectar eletricidade estática, basta ligar à comporta do transistor de efeito de campo (FET) um eletrodo. A simples aproximação de um objeto carregado deste eletrodo induz uma tensão que modifica a condução do transistor, conforme mostra a figura 3.
Basta então elaborar um circuito que tenha um indicador de corrente ligado ao transistor para que possamos saber se qualquer objeto que se aproxime do eletrodo sensor está ou não carregado. O nosso circuito não é tão simples. Com a finalidade de detectar também o sinal da carga agregamos elementos que mostram se a corrente no transistor aumenta ou diminui, pois ele é sensível à polaridade.
Montamos então uma Ponte de Wheatstone em que num dos braços, colocamos um transistor de efeito de campo comum. O elemento indicador é um instrumento de bobina móvel ou galvanômetro como os encontrados em aparelhos de som antigo (o leitor pode até aproveitar de um aparelho velho fora de uso).
Existem dois ajustes para o circuito: o equilíbrio da ponte e o fundo de escala. O equilíbrio da ponte permite levar o ponteiro do instrumento ao meio da escala de modo que uma deflexão para a direita indique cargas positivas e para a esquerda, cargas negativas.
O outro potenciômetro impede que a agulha bata violentamente no final da escala se tivermos um objeto com carga muito grande. Um ponto importante a ser considerado no projeto, entretanto, é a sensibilidade do FET. Deve-se evitar encostar os objetos carregados no sensor, pois uma carga muito intensa pode queimar o transistor.
Montagem
Na figura 4 temos a montagem que realizamos.
A placa de circuito impresso para a montagem é mostrada na figura 5.
Também é possível fazer a montagem numa matriz de contatos e até mesmo numa ponte determinais já que o circuito não é crítico. O transistor de efeito de campo usado é o BF245. Podem ser usados equivalentes, mas o leitor deve estar atento para a disposição dos terminais, que pode ser diferente.
O eletrodo sensor nada mais é do que uma argolinha feita com fio comum encapado. É até interessante que se mantenha a capa isolante do sensor, para que o contacto direto com um objeto dotado de carga muito grande não cause a queima do transistor.
A alimentação do circuito pode ser feita com 4 pilhas comuns ou bateria de 9 V. Como o consumo é muito baixo, a durabilidade das pilhas ou bateria será muito grande.
O instrumento é de 0-1 mA ou mesmo 200 uA de fundo de escala. Se o leitor conseguir achar um instrumento indicador de 50 uA com zero no centro da escala será até melhor tanto para a sensibilidade como para o ajuste.
Veja que P1 é um trimpot ficando embutido no circuito enquanto P2 é um potenciômetro para o ajuste externo.
A montagem também pode ser feita usando uma ponte de terminais, conforme mostra a figura 6.
Prova e Uso
Basta ligar o aparelho e inicialmente ajustar P2 para que a agulha do instrumento fique aproximadamente no centro da escala.
Depois, atritando um pente numa blusa de lã ou no pedaço de seda, aproxime-o do sensor X1. A agulha do instrumento deve oscilar indicando a carga. Se o movimento for muito brusco, atue sobre P1 para que esse movimento fique suavizado.
O circuito é tão sensível que mesmo atritando o pente a uma boa distância do sensor é possível já notar que a agulha oscila indicando a presença de cargas estáticas.
Verificado o funcionamento, faça os testes para verificar se as cargas positivas realmente são detectadas com o movimento do ponteiro para a direita. Se a indicação for invertida, troque as ligações do instrumento M1 (inverta os fios).
Para aumentar a sensibilidade do aparelho aumente o valor de R1, ligando dois resistores de 22 M ohms em série e até mesmo 3.
Comprovado o funcionamento é só usar o aparelho: para isso aproxime do sensor os objetos que se deseja saber se estão ou não carregados de eletricidade estática.
Sugestões
Além das experiências tradicionais que são programadas nos cursos de física do ensino fundamental, médio e técnico existem algumas outras que podem ser implementadas graças a grande sensibilidade deste eletroscópio.
a) Caminhe num carpete e depois aproxime a mão do sensor para mostrar como seu corpo se carrega de eletricidade.
b) Ligando uma pequena antena em lugar do sensor, podemos detectar as variações das cargas estáticas ambientes num dia de tempestade pela passagem das nuvens carregadas.
Semicondutores:
Q1 – BF245 – transistor de efeito de campo
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 – 22 M ohms – vermelho, vermelho, verde
R2, R5 – 10 k ohms – marrom, preto, laranja
R3, R4 – 1 k ohms – marrom, preto, vermelho
P1 – 10 k ohms – trimpot
P2 – 47 k ohms – potenciômetro lin ou log
Diversos:
M1 – 0-1 mA – instrumento indicador – ver texto
S1 – Interruptor simples
B1 – 6 ou 9 V – 4 pilhas pequenas ou bateria
X1 – sensor – ver texto
Placa de circuito impresso, suporte de pilhas ou conector de bateria, caixa para montagem, botão para o potenciômetro, fios, solda, etc.
