Pesquisador de Minérios Raros (ART1835)

Minérios raros como os que contem urânio, estrôncio e algumas formas de cristais de grande valor como as pedras preciosas podem revelar sua presença com facilidade submetidos à luz ultravioleta através de uma fluorescência intensa. Os sais de estrôncio, por exemplo, brilham com uma cor esverdeada quando submetidos a este tipo de radiação. Usando um inversor para acionar uma lâmpada fluorescente ultravioleta, o leitor pode ter uma importante ajuda na pesquisa de minérios raros e quem sabe descobrir pedras preciosas ou sua mina de urânio com muito mais facilidade do que a simples garimpagem visual.

A fluorescência é um fenômeno manifestado por muitos minerais quando submetidos a uma radiação de menor comprimento de onda do que a luz visível como, por exemplo, a radiação ou luz ultravioleta.

Usando então uma lâmpada que produz este tipo de radiação, é possível descobrir minerais raros e pedras preciosas pela sua fluorescência que os faz destacar com facilidade.

Mas não é apenas essa a utilidade do aparelho que descrevemos: algumas tintas usadas em tecidos e em papel também apresentam o fenômeno da fluorescência, o que permite a realização de algumas experiências interessantes e até mesmo a identificação do dinheiro falso ou documentos alterados.

Em determinadas cédulas de dinheiro é possível tornar fluorescente a chamada “marca d'água" que permite diferenciar o dinheiro verdadeiro do falso.

Muitos tipos de pedras preciosas e materiais usados na confecção de enfeites também se tornam fluorescentes sob a ação da radiação ultravioleta.

Será muito interessante observar as diversas cores obtidas com a iluminação desses objetos, e os joalheiros podem até usá-los como referência para a identificação de pedras falsas.

Para os que gostam de fotografia, a obtenção de fotos sob iluminação ultravioleta pode resultar em efeitos muito interessantes.

Finalmente, trocando a lâmpada fluorescente (UV) por uma lâmpada fluorescente comum, ele pode ser usado com dispositivo de iluminação de emergência e até como sinalizador, já que no projeto temos um circuito intermitente que faz a lâmpada piscar ritmicamente.

O aparelho é relativamente simples de montar e operar, já que usa componentes que são facilmente encontrados no nosso mercado.

O único componente mais critico é a lâmpada ultravioleta, do tipo usado como “luz negra" em bailes.

Características:

Tensão de alimentação: 9 a 12 Vd.c.

Corrente exigida: 200 a 600 mA

Potência da lâmpada: 2 a 10 W

COMO FUNCIONA

a) Radiação ou luz ultravioleta

Para entender bem o funcionamento do nosso aparelho será interessante começar por estudar o que é o fenômeno da fluorescência, que serve de base para o projeto.

Na figura 1 temos a representação de um espectro em que localizamos a radiação visível e a radiação ultravioleta em função do comprimento de onda em Angstroms.

Fig. 1 - Espectro com a faixa ultravioleta.

Conforme podemos ver, os raios ultravioletas consistem em ondas eletromagnéticas de curtíssimo comprimento e, portanto, de freqüência muito mais elevada do que a luz violeta.

Não podemos ver esta radiação, mas são muitos os fenômenos que ela pode provocar.

Um desses fenômenos é a fluorescência.

Quando os átomos de um material absorvem radiação ultravioleta, seus elétrons podem saltar para níveis superiores de energia, conforme mostra a figura 2.

Fig. 2 - Ao absorver energia, o elétron muda de nível.

O salto dependerá justamente da quantidade da energia absorvida e que é determinado pela freqüência desta radiação, ou seja, pelo valor quântico desta energia.

Assim, para radiação de menor comprimento de onda, cujos “quanta” de energia são maiores, os saltos são igualmente maiores.

Com a absorção da energia, os átomos do material são levados a um estado de excitação instável.

Isso significa que os átomos dos materiais em que isso ocorre não podem reter a energia absorvida por muito tempo e os elétrons tendem a voltar aos níveis originais estáveis de energia.

Quando isso ocorre, num tempo muito curto após a absorção, a trajetória do elétron de volta para o nível original não é a mesma da ida para o níveis mais altos.

Esta volta pode ocorrer em etapas.

Assim, se nessa volta o elétron saltar para duas órbitas ou níveis inferiores de energia, ele emitirá radiação duas vezes, que corresponde a energia absorvida, mas em "pacotes” de freqüências menores, conforme mostra a figura 3.

Fig. 3 - Ao voltar ao nível normal de energia, há a emissão de radiação.

Pode ocorrer, por exemplo, que num dos saltos a emissão de energia caia na faixa do infravermelho que é invisível, mas também pode ocorrer que ela caia na faixa do espectro visível.

Nestas condições, com a reemissão da radiação na faixa visível, o objeto passa a “brilhar" como se a emissão de luz fosse própria, pois não podemos ver a emissão ultravioleta causadora do fenômeno.

Esse fenômeno de retorno do elétron ao nível original de energia ocorre num intervalo extremamente curto de tempo, o que quer dizer que, se uma substância apresenta átomos com esta propriedade e for exposta a radiação ultravioleta (invisível) ela absorverá e ao mesmo tempo devolverá energia com uma emissão continua de luz visível.

Na figura 4 mostramos o que ocorre: um pedaço de minério com essas propriedades praticamente "acenderá” no escuro quando iluminado por uma fonte de luz ultravioleta.

Figura 4 – O minério brilha no escuro quando iluminados por ultravioleta

Para que o leitor tenha uma idéia dos tempos envolvidos, o intervalo entre a absorção e a re-emissão de energia é menor que 10-14 segundos.

Existem substâncias que absorvem a energia, mas a devolvem lentamente, ficando assim “acesas” por muito tempo depois que a energia excitante desaparece.

Essas substâncias apresentam uma propriedade diferente, denominada fosforescência.

O material usado nos interruptores residenciais de parede é um exemplo de substância fosforescente, pois permanece “brilhando” por muito tempo depois que deixam de receber a luz ambiente.

Repare como sua luminosidade “decai” a medida que o tempo passa e ele devolve a energia absorvida.

No nosso caso, sabemos que existem muitos minérios raros que apresentam a propriedade de absorver a energia ultravioleta e devolve-Ia em parte na forma de luz visível, tornando-se assim luminosos.

Dentre este minérios destacamos os sais de estrôncio, alguns sais de urânio, determinadas pedras preciosas que contenham as chamadas terras raras”, e mesmo o cálcio que faz parte de nossos dentes, ossos e alguns objetos de uso comum.

É por este motivo que nos bailes em que temos a chamada “luz negra" que nada mais é do que uma fluorescente de ultravioleta, os dentes, tecidos, além de unhas e botões, podem brilhar intensamente comn a re-emissão da radiação absorvida.

b) Nosso projeto

Lâmpadas fluorescentes de luz negra de pequena potência podem ser encontradas em casas especializadas com certa facilidade.

Lâmpadas de 2 a 10 W podem ser usadas em nosso projeto, destacando-se nestas a coloração escura (violeta) do vidro, já que ela é recoberta por uma substância que só deixa passar a radiação que nos interessa.

Não devemos confundir estas lâmpadas com as fluorescentes ultravioleta de vidro transparente, que são usadas nos apagadores de memórias EPROM, e que têm potência muito maior.

Estas lâmpadas não devem ser usadas de modo algum no nosso projeto, porque a intensidade de ultravioleta produzida é perigosa para nossa visão.

Nunca deveremos olhar para estas lâmpadas diretamente quando acesas.

Para as lâmpadas de coloração escura, o nível de radiação é baixo e não há perigo algum em sua utilização no nosso projeto.

Temos então um circuito inversor que, a partir das portas NAND de um integrado 4093 gera um sinal de freqüência que pode ser ajustado basicamente no trimpot P2

Esse trimpot permite a realização de um ajuste que leve ao maior rendimento com as características do transformador usado, já que estas variam bastante de tipo para tipo.

O sinal deste circuito é aplicado à comporta de um FET de potência que tem como carga de dreno (d) o enrolamento de baixa tensão de um transformador comum, cujo primário é de 220 V.

Obtemos então no enrolamento de 220 V uma alta tensão, que pela forma de onda, chega a ser bem maior que os 220 V, e que excita facilmente a lâmpada fluorescente, acendendo-a.

Com a chave S1 colocada de modo a ligar o pino 5 do CI, ao pino 3 do mesmo, entra em ação o oscilador que tem por base C1, P1 e R1 além de uma das portas do circuito integrado 4093.

Este é um oscilador lento que ativará em intervalos regulares o oscilador principal, de modo que a lâmpada fluorescente passe a piscar.

Podemos então trocar a lâmpada ultravioleta por uma lâmpada fluorescente comum e assim obter um sinalizador.

No jaque J2 podemos tanto ligar uma bateria externa como um conversor de 12 V com pelo menos 1 A e assim economizar as pilhas internas.

Uma opção a ser estudada é o uso do acendedor de cigarros do carro como fonte e energia, e um cabo longo para alimentação do aparelho num raio maior de ação.

MONTAGEM

Começamos por mostrar o diagrama completo do Pesquisador de Minérios Raros na figura 5.

Figura 5 – Diagrama completo do Pesquisador

A montagem dos componentes com base numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 6.

Fig. 6 - Montagem do Pesquisador em placa de circuito impresso

O circuito integrado pode ser instalado num soquete DlL para maior segurança e facilidade de substituição.

O FET de potência pode ser o SPM630, SP620, IRF630 ou lRF620.

Na verdade, qualquer F ET de potência com 200 V de tensão máxima dreno/fonte e corrente a partir de 3 A pode ser empregado neste projeto.

Um pequeno radiador deve ser fixado neste componente dado o calor desenvolvido em funcionamento.

No caso de haver dificuldade na obtenção do transistor original ou seus equivalentes, o projeto pode ser montado com um Darlington de potência bipolar, se bem que o rendimento seja um pouco menor.

Neste caso, podem ser usados os seguintes transistores Darlington: TlP111, TIP112, TlP110, TIP120, TlP121, TlP122, TlP130, TlP131 e TlP132.

Na figura 7 mostramos a maneira de se fazer a alteração no circuito para se utilizar um destes transistores.

Figura 7 – Pinagem equivalente dos Darlingtons

O transformador T1 tem enrolamento primário de 110 / 220 V ou somente 220 V e secundário de 6+6 V com corrente de 300 mA a 500 mA

Os capacitores C, e C3 são eletrolíticos para 16 V ou mais, enquanto que C2 pode ser cerâmico ou de poliéster.

Os resistores são de 1/8 W e os trimpots são comuns.

Para S1 e S3 temos chaves deslizantes de 1 pólo x 2 posições, enquanto que S2 é um interruptor simples.

A alimentação pode ser feita de diversas formas: podem ser usadas 6 ou 8 pilhas médias ou grandes, preferivelmente alcalinas ou ainda recarregáveis de Nicad.

Também pode ser usada uma bateria maior de 12 V do tipo de moto, o que dará maior autonomia ao aparelho.

Em J2 pode ser ligado um eliminador de pilhas de 9 a 12 V com pelo menos 1 A ou então a fonte de alimentação cujo diagrama é mostrado na figura 8.

Figura 8 – Fonte de alimentação para o pesquisador

Esta fonte pode até ser embutida na própria caixa que aloja o aparelho, com uma tomada para cabo de alimentação, caso em que será facilitado o uso em bancada do pesquisador.

O circuito integrado da fonte deve ser dotado de um radiador de calor e o transformador tem primário conforme a rede de energia (110 V ou 220 V) e secundário de 12 + 12 V com 1 A de corrente.

A lâmpada fluorescente será instalada num conjunto de fácil manuseio que é mostrado na figura 9.

Figura 9 – Montagem final do pesquisador

Num tubo de PVC de 2,5 cm de diâmetro fazemos um corte lateral onde encaixamos a lâmpada.

Protegemos a parte superior do tubo com uma borracha e internamente revestimos o tubo com espuma.

Do lado que vamos segurar o tubo colocamos um cabo de borracha que pode ser do tipo encontrado no guidão de bicicletas e que, portanto, pode ser encontrado em casas especializadas com certa facilidade.

A conexão da lâmpada ao circuito é feita por meio de um fio de pelo menos 2 metros de comprimento com um plug P2 na extremidade.

O fio deve ser flexível e bem isolado, dada a alta tensão com que trabalha, a qual pode causar choques desagradáveis.

Uma segunda lâmpada fluorescente comum de 3 a 10 W pode ser montada num suporte diferente, quando o aparelho for usado como inversor ou sinalizador, conforme mostra a figura 10.

Figura 10 – Usando como sinalizador

Finalmente devemos preparar um cabo com adaptador para tomada do cinzeiro de carro, de onde podem ser obtidos 12 V para alimentação do circuito.

PROVA E USO

Alimente o inversor e ligue em J1 a lâmpada fluorescente ultravioleta ou mesmo uma lâmpada fluorescente comum.

Coloque S1 na função contínua (para o positivo da alimentação) e ajuste P2 para que a lâmpada acenda com o máximo brilho.

No caso da lâmpada ultravioleta, faça o ajuste em local levemente obscurecido, escolhendo algum objeto (folha de papel cartão, por exemplo, que tem uma boa fluorescência) de modo a poder avaliar o instante em que ocorre o máximo rendimento.

Passe S1 para a posição intermitente e ajuste P2 para que as piscadas ocorram na freqüência que julgar conveniente para a aplicação que tem em mente.

Para utilizar o aparelho é só iluminar os objetos pesquisados com a luz ultravioleta.

Pegue objetos diversos como areia, objetos de decoração, substâncias químicas, pedras, papel cartão; e verifique a fluorescência obtida em cada caso.

Para alimentar por fonte externa, mude de posição S3 e conecte a fonte em J2 observando a polaridade previamente.