Sensíveis Detectores de Eletricidade Estática (ART1745)
Detectores de eletricidade estática ou eletroscópios são indispensáveis no laboratório de física do ensino fundamental, médio, técnico ou mesmo superior. As versões tradicionais de folhas de ouro não são tão sensíveis, assim contar com um eletroscópio eletrônico permite realizar experimentos muito melhores. Neste artigo descrevemos a montagem de dois eletroscópios eletrônicos.
Quando esfregamos um material isolante em outro, cargas elétricas se transferem, passando de um para o outro, e com isso eletrizando-os.
Na figura 1 mostramos como um pente eletrizado pode atrair pequenos pedaços de papel.
Figura 1 – Pente eletrizado
Este processo de eletrização por atrito é o mais usados nos experimentos de física de todos os níveis.
O meio mais comum de se verificar se um corpo está carregado é utilizando um eletroscópio de folhas, conforme mostra a figura 2.
Figura 2 – O eletroscópio de folhas
Duas folhas muito finos dobradas são apoiadas num gancho de material condutor.
Quando encostamos ou aproximamos da esfera um objeto carregado, ocorre a eletrização da esfera (por contato ou indução) e as cargas se transferem para as folhas que se carregam com cargas de sinais iguais.
O resultado é que aparece uma força de repulsão entre elas provocando seu afastamento.
Obs.: veja mais sobre eletricidade estática no artigo ART1189 no site.
Para obter uma versão eletrônica de um detector de cargas estáticas usamos a sensibilidade que os transistores de efeito de campo apresentam em relação à tensão de gate ou comporta.
Estes componentes têm uma estrutura conforme mostrado na figura 3.
Figura 3 – A estrutura de um transistor de efeito de campo MOS
Quando uma tensão é aplicada ao gate deste transistor, ela pode controlar a corrente entre o dreno e a fonte.
Estes componentes são extremamente sensíveis, o que significa que a carga estática de um objeto que se aproxime do gate provoca alteração na corrente que flui pelo componente.
Na verdade, as tensões mais altas são até perigosos, o que leva alguns tipos de transistores deste tipo MOS a usarem uma proteção com diodos, conforme mostra a figura 4.
Figura 4 – Proteção com diodos
Se uma tensão muito alta for aplicada à comporta, ela pode romper a fina capa isolante deste eletrodo e danificar o componente.
Nos nossos projetos utilizarmos um circuito integrado 4093 que contém quatro portas NAND independentes em tecnologia CMOS, conforme mostra a figura 5.
Figura 5 – O circuito integrado 4093
Este circuito é tão sensível que cargas estáticas pequenas podem ser detectadas com facilidade.
Na figura 6 temos então um primeiro detector que aciona um LED em função da carga que aproximamos da antena.
Figura 6 – Circuito com LED
Agitando um pente carregado próximo da antena, o LED piscará indicando a carga.
A antena consiste num pequeno pedaço de fio encapado de 15 a 20 cm de comprimento.
Não encoste o objeto carregado na antena, pois a carga excessiva pode causar a queima do circuito integrado.
O segundo circuito que apresentamos é mais complexo, pois ele aciona um relé por um tempo ajustado em P1 quando agitamos diante da antena um objeto carregado.
Conforme mostra a figura 7, este circuito utiliza um monoestável com o circuito integrado 555.
Figura 7 – Detector com relé
O relé usado neste projeto é de 6 V com base DIL e corrente de acionamento até 20 mA (reed relé).
Para um relé maior, deve ser usado um transistor excitador.
Na figura 8 temos uma placa de circuito universal com a montagem da primeira versão.
Figura 8 – Montagem da primeira versão em placa universal
A placa de circuito impresso para a segunda versão é mostrada na figura 9.
Figura 9 – Placa de circuito impresso para a segunda versão
Na montagem das duas versões, observe as posições dos circuitos integrados e do transistor.
Observe também a polaridade do LED e do diodo.
Os resistores são de 1/8 W com qualquer tolerância e os demais componentes de acordo com o especificado na lista de materiais.
Para acionamento de um oscilador de áudio, podemos usar o circuito da figura 10.
Figura 10 – Oscilador para indicação sonora de carga
O circuito pode ser usado também para detectar o funcionamento de ionizadores e cargas estáticas ambientes como as de pessoas que caminham em tapetes, como sugere o detector mostrado na figura 11.