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Eletreto Prof. Luiz Ferraz Netto
Introdução Um bastão de vidro atritado com um pedaço de lã, fica eletrizado positivamente (número de elétrons menor que o número de prótons) e, não há livro de eletrostática que deixe de citar isso. Quantos já não fizeram, com sucesso, tal experimento simples? Por que na próxima experimentação devemos atritar novamente o vidro com a lã? Esse bastão de vidro eletrizado, à maneira do bom aço imantado, não deveria ficar eletrizado por anos e anos? A pesquisa sobre corpos que, uma vez eletrizados, mantêm sua eletrização (os eletretos) não é recente. Há partir de 1920, entretanto, é que foram desenvolvidos métodos confiáveis para a produção de eletretos. Mas, somente a cerca de 20 anos atrás é que eles passaram a ser utilizados em aplicações científicas e industriais. Hoje, inúmeras pessoas servem-se, por exemplo, do microfone de eletreto, com muita certeza, sem saberem do que se trata. A falta de literatura especializada e a política vigente do "abaixo a educação e viva as novelas ... inclusive as mexicanas" são, sem dúvida, os responsáveis por tais desconhecimentos.Nota: Esse texto foi escrito em 1994 e somente agora, no início de 2002, é posto on-line. Observe que esse comentário final continua atualizado. Até quando permitiremos isso? A estrutura do artigo comporta um breve resumo histórico dos eletretos, sua produção em pequenos laboratórios e algumas sugestões para projetos e experimentos interessantes. Agora, quando alguém visitar seu modesto (!) laboratório e lhe solicitar um experimento com 'eletricidade estática', não será mais necessário ligar o Van de Graaff ou girar a manivela de sua máquina de Wimshurst, basta abrir a prateleira e tirar de lá o seu bloco de eletreto. O 'ímã' da eletrostática! Alguns ensaios foram feitos, pelo autor no Laboratório de Demonstrações do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, setor esse coordenado pelo Prof. Dr. Ernst W. Hamburger. Não chegou a ser um trabalho realmente científico, com aplicação de toda uma metodologia de pesquisa, pois essa não é a finalidade deste setor. Queríamos apenas preparar um conjunto didático para que, também os eletretos, participassem do rol das centenas de experimentos de Física do acervo, que é posto à disposição de professores e alunos que visitam o Laboratório com regular freqüência. História
dos eletretos
Retirado
o bolo dielétrico do recipiente de vidro, Gray nos relata o
seguinte: Quando novamente resfriados, após o procedimento descrito,
os dielétricos tornam-se mais eletrizados. Quando o enxofre é derretido
no recipiente de vidro, ambos, enxofre e recipiente, tornam-se eletrizados. Sem
dúvida, existe um ponto misterioso nos experimentos relatados por Gray.
Hoje sabemos que, colocando-se dois corpos distintos em contato íntimo,
como por exemplo, um elemento derretido e o molde, e a seguir os
separamos, isso determinará o aparecimento de superfícies eletrizadas,
nos dois corpos. O fenômeno é basicamente o mesmo que ocorre quando dois
corpos distintos são eletrizados (carregados) por atrito. Não é
o atrito que eletriza os corpos, atritar é apenas um modo cômodo
de coloca-los em contato íntimo. Mas, Gray, declarou que refundiu a
superfície de contato (na fase do ligeiro aquecimento) de seus dielétricos
antes de retira-los do molde. É esse o ponto fraco do relato! Não
deveriam surgir cargas na superfície do dielétrico endurecido, pois as
cargas deveriam estar na tênue camada derretida que ficou no molde.
Conclui-se aqui que, as duradouras cargas obtidas nas superfícies do bolo
dielétrico, por Gray, foram causadas por ocorrências nada fáceis de
serem explicadas. A eletrização ocorria, nos experimentos de Gray, devido ao aparecimento de cargas elétricas na interface entre o líquido e a fase sólida do dielétrico. Esse efeito só foi descrito em 1950, por J. Costa Ribeiro, que o denominou efeito termo-dielétrico. Em1748, Benjamin Franklin especulava a respeito da força elétrica da garrafa de Leyden. Essa força estaria no revestimento metálico (interno e externo) ou no vidro? Para responder tal indagação, construiu um equipamento que, hoje, é conhecido por capacitor desmontável de Franklin. Seu modelo original é o ilustrado na figura-2. Na figura-3 temos o modelo colegial didático e na figura-4 a seqüência operacional do experimento de Franklin.
Seu capacitor era composto de uma placa de vidro plano comum, colocado entre duas pequenas placas de estanho. Primeiro ele carregou o capacitor com sua máquina eletrostática, depois descarregou-o com seu excitador. A seguir, removeu as placas de estanho e examinou a placa de vidro (mediante um eletroscópio) para verificar se esta apresentava-se eletrizada ou não. Ele constatou que a placa de vidro estava bastante eletrizada e que, se fosse recolocada entre as placas de estanho (que estavam descarregadas), uma nova faísca podia ser obtida do capacitor remontado, sem a necessidade de uma nova carga, via máquina eletrostática. A partir dessas experiências, Franklin concluiu que a força de uma garrafa de Leyden estava contida, principalmente, no vidro e não no revestimento metálico e, ainda, que tais cargas elétricas estavam nos poros do vidro. Hoje diríamos, as cargas são capturadas nas armadilhas contidas dentro do vidro. O fenômeno da eletrização residual de um dielétrico no capacitor ficou conhecido como absorção dielétrica e foi estudado por diversos cientistas do século 19. Michael Faraday foi um dos principais investigadores da absorção dielétrica. Para suas experiências, utilizou-se de um capacitor esférico, desmontável, contendo um invólucro semi-esférico de goma-laca, como dielétrico. Ele concluiu que, com a carga do capacitor, inicialmente o dielétrico exibiu uma eletrização com polaridades opostas daquelas aplicadas ao capacitor, ou seja, a superfície do dielétrico que estava em contato com a armadura positiva exibiu carga negativa e a superfície que estava em contato com a armadura negativa exibiu cargas positivas. Esse estágio da eletrização é, atualmente, denominado estado heterocarga. Entretanto, seguindo com Faraday, o dielétrico exposto, logo reverteu sua polaridade, conseqüentemente, a superfície do dielétrico em contato com a armadura positiva, na fase de carga, tornou-se positiva e a outra negativa. Esse é o estado homocarga (denominação atual). Segundo Faraday nos relata, após a reversão da polaridade, a eletrização do dielétrico foi mantida durante um bom tempo. Faraday
interpretou esses resultados como uma superposição de dois efeitos, (a)
polarização (alinhamento de dipolos moleculares) por indução eletrostática
e (b) condução de cargas elétricas provenientes das armaduras do
capacitor (na fase de carga) para o dielétrico. Segundo Faraday, a reversão
da polaridade foi determinada pela variação da profundidade relativa, na
qual os dipolos moleculares e as cargas de condução que penetram no dielétrico,
foram posicionadas em tempos diferentes, após o capacitor ter sido
carregado. Aqui, numa breve pausa, sugerimos outro experimento. O
que se pretende é verificar essa reversão de polaridade no dielétrico
e, com isso, já produzir um modesto eletreto. Necessita-se de uma máquina
de eletrizar e um capacitor "caseiro". A máquina pode ser uma
tipo Van de Graaff ou uma tipo Wimshurst. O problema dessas máquinas, além
de outros ($), é que são geniosas - dependendo do dia, quando se
quer, não funcionam. Para quem mexe com eletrônica, o melhor
mesmo é um gerador de alta tensão - CC. Sua construção não é difícil
nem dispendiosa.
Fig.5 - Máquina de eletrizar eletrônica: T1 - transformador (110 V/12V,2A); D1 - diodo retificador para 3A; C1 - capacitor eletrolítico 2200mF x 25V; TR - transistor NPN (2N3055 ou os do próprio monitor, drive do estágio de alta tensão); R - resistor 300W x 2W; C2 - capacitor poliéster 0,03mF x 400V; T2 - flyback, qualquer modelo; D2 - retificador para alta tensão, tipo TV (TV-18); C3 - capacitor de vidro [placa de vidro (10 x 10 cm), 2 placas de folha de alumínio (8 x 8 cm)]; CE - (a seguir).O capacitor CE, na figura-5, é construído com duas placas circulares de alumínio (3 mm de espessura), diâmetro 11 cm, com bordos arredondados com lixa muito fina e lixa d’água, e um bolo de cera de carnaúba com 12 cm de diâmetro e altura 4 cm. Para manter a estrutura do capacitor e facilitar seu manuseio, o autor valeu-se de uma caixa de queijo Catupiri. É uma fôrma de madeira redonda com 12,5 cm de diâmetro e 4 cm de altura, servindo perfeitamente para acomodar o capacitor CE, como se ilustra na figura-6.Nota: Atualmente a fôrma desse queijo Catupiri é de plástico(branco).
Fig.6 - Preparo do capacitor CE - (1) embalagem do queijo Catupiri, (2) discos de flandres com terminais, (3) bolo de cera de carnaúba. Ligue CE aos terminais da máquina de eletrizar, conforme se ilustra na figura-5 e deixe a máquina funcionando durante 30 minutos. Após essa carga eletrostática, abra a forma de queijo e mediante pinças plásticas retire as placas metálicas e deixe o bolo no lugar do queijo. Determine a polaridade da superfície superior do bolo (por exemplo, mediante um eletroscópio de pêndulo eletrizado com carga de sinal conhecido). Feche a caixa. Refaça a verificação da polaridade da superfície a cada 20 minutos. Anote todos esse resultados, incluindo o potencial elétrico da superfície, no caso de possuir um eletrômetro. Retornemos
ao histórico.
Fig.7 - Carlo Matteuci carregou a haste de enxofre alternadamente, ou seja, (a) positivamente e (b) negativamente encostando-as em garrafas de Leyden carregadas. Após o carregamento alternado, as hastes exibiram várias mudanças de polaridade. Esse tipo de carregamento é denominado de carga por etapas, ele pode ser utilizado para produzir eletretos que modificam a sua polaridade de acordo com o programado. A
polaridade observada, imediatamente após a eletrização, foi negativa e
após a carga tornou-se positiva. Apesar
dos experimentos realizados por Franklin, Faraday e Matteuci comprovarem a
penetração de cargas elétricas no dielétrico, o mecanismo de penetração
estava longe de ser totalmente esclarecido. Novas experiências proporcionaram respostas parciais para esse paradoxo. Descobriu-se, também, que se a carga do condutor fosse feita mediante uma fonte de alta tensão, ocorria uma interrupção elétrica no espaço entre o condutor e o dielétrico, sendo assim, as cargas elétricas provenientes do condutor seriam transferidas para o dielétrico mediante faíscas elétricas. Esse tipo de carga é atualmente denominado carga Corona, sendo amplamente utilizada na produção de eletretos. Os pontos onde as faíscas penetram no dielétrico podiam ser facilmente vistas, bastando para isso, salpicar o dielétrico eletrizado com talco (não condutor), como se ilustra no experimento da figura-8.
Fig.8 - Quando um dielétrico é eletrizado pelo método de carga Corona, as cargas elétricas são injetadas no interior do dielétrico pelas faíscas provenientes do eletrodo ligado a uma fonte de alta tensão (máquina eletrostática). As cargas injetadas produzem uma eletrização duradoura nas regiões do dielétrico em contato com o eletrodo e com a mesma forma deste. A imagem elétrica produzida pode ser facilmente visualizada mediante salpico de talco ou de uma mistura bastante seca de chumbo vermelho e flores de enxofre. O chumbo vermelho adere junto às cargas negativas na imagem e o enxofre às cargas positivas. O desenvolvimento desta técnica presta-se ao estudo da distribuição de cargas nas superfícies dos dielétricos.talco ou de uma mistura bastante seca de chumbo vermelho e flores de enxofre. O chumbo vermelho adere junto às cargas negativas na imagem e o enxofre às cargas positivas. O desenvolvimento desta técnica presta-se ao estudo da distribuição de cargas nas superfícies dos dielétricos.O talco e outras misturas aderem às regiões eletrizadas no dielétrico, formando o que denominamos figuras de Lichtenberg. Georg Lichtenberg era um físico alemão, descobridor das figuras elétricas, em1977. A técnica foi apurada e atualmente é utilizada na eletrostática das máquinas copiadoras. Sendo assim, pode-se utilizar o “tonner” das copiadoras nos experimentos de figuras elétricas em dielétricos. Aqui
está, portanto, outra sugestão ao leitor e
sua nova máquina de eletrizar.
Fig.9 - Figuras elétricas de Lichtenberg - (1) peso metálico; (2) figura em papel alumínio; (3) placa de vidro; (4) retângulo de papel alumínio. Pode-se substituir a figura (2) por uma moeda. Após o processo, a condensação do vapor sobre o vidro permitirá ver (e ler) a figura ou que está impresso na moeda. A
possibilidade teórica da absorção dielétrica ocorrer, sem uma
interrupção (que caracteriza a carga Corona), foi investigada
pelo físico alemão R. Kohlrausch, em 1854. Ele sugeriu que um
dielétrico poderia ser eletrizado sem que ocorresse a transferência de
cargas elétricas provenientes de fontes externas, através dos quatro
seguintes efeitos:
Fig.10 - Kohlrausch mostrou que a eletrização de um dielétrico pode ser produzida por quatro efeitos, sem nenhuma transferência de cargas provenientes dos eletrodos: (1) migração de cargas internas para a superfície; (2) migração de cargas internas através das várias camadas do dielétrico; (3) migração de cargas no interior das moléculas; (4) orientação de dipolos moleculares no interior do dielétrico. Na produção de modernos eletretos concorrem não só os quatro efeitos, como também por injeção de cargas, formação de cargas moldadas e formação de cargas de contato (atrito). Kohlrausch acreditava que o último efeito (4) era o mais provável de ocorrer na produção de uma eletrização duradoura no dielétrico, fazendo com que moléculas polares se alinhassem adequadamente, sob a ação de um forte campo elétrico externo. A possibilidade de se obter uma duradoura eletrização do dielétrico, através do efeito de migração de cargas entre várias camadas de um dielétrico heterogêneo [que corresponderia ao caso (2) de Kohlrausch], foi levada adiante por James Clerk Maxwell. Atualmente esse efeito é denominado polarização interface. Uma receita teórica para fazer com que um corpo fique permanentemente eletrizado, foi finalmente fornecida por Oliver Heaviside, em 1885, que patenteou a palavra ELETRETO, uma palavra nova que soava como uma contraparte elétrica, adequada, de MAGNETO (ímã). Vejamos a prescrição de Oliver, sucintamente:
Não há evidências que próprio Heaviside tenha tentado fazer um eletreto ¾ era um físico teórico. O primeiro eletreto de receita foi produzido há cerca de 45 anos, por um cientista japonês, Mototaro Eguchi. Ele produziu o eletreto de acordo com o procedimento de Heaviside e o eletreto comportou-se essencialmente com o descrito. Eles (foram vários) revertiam a polaridade, geralmente um ou dois dias após sua formação. Eguchi deu um tempero especial à receita de Heaviside. Antes de colocar seus dielétricos no campo elétrico, ele derreteu-os. Posteriormente, ele os deixou endurecer no interior do campo elétrico, desse modo, congelou todos os vários acúmulos de cargas e também o campo-orientado dos dipolos moleculares no interior do dielétrico.A técnica de Eguchi (que exigiu para si os louros de ter inventado a palavra eletreto ¾ exigência não aceita) era uma combinação de técnicas de Gray e Heaviside. O material para os eletretos de Eguchi era uma mistura de cera de carnaúba, cera de abelha branqueada e resina. Essa mistura ainda permanece como sendo um material clássico de laboratório, na produção de eletretos. Os eletretos do tipo Eguchi são conhecidos como termo-eletretos, uma vez que eles envolvem tratamento térmico dos dielétricos. Mesmo
com essa breve história sobre os eletretos, ainda fica intrigante o fenômeno
da reversão da polaridade exibida pelos dielétricos no processo de formação
dos eletretos. Nem todos os eletretos revertem sua polaridade, mas muitos
termo-eletretos o fazem. A natureza exata deste fenômeno ainda não está
completamente esclarecida. Uma teoria quantitativa sobre a reversão da
polaridade, considerada uma das mais consistente, concorda com as experiências
feitas em 1957, pelo físico russo Gubkin. De acordo com ela, um
eletreto adquire durante a sua formação, dois tipos diferentes de
distribuição de cargas: À princípio, a heterocarga domina, entretanto ela diminui rapidamente, enquanto que as homocargas perduram por maior intervalo de tempo. Assim, eventualmente, o eletreto reverte sua polaridade. A teoria leva em consideração a condutividade elétrica do eletreto e os efeitos oriundos de sua armazenagem (na prateleira), mas não especifica a natureza física do processo responsável pela formação dos dois tipos de distribuição de cargas (homo e hetero), ou para a maior longevidade da homocarga. Embora o fenômeno da eletrização permanente de um dielétrico, produzindo o eletreto, não esteja completamente desvendado, sabe-se que ele é determinado pelo acúmulo de cargas ordenadas no interior do dielétrico quando submetido a um intenso campo elétrico, como já foi descrito. O campo aplicado move as cargas internas e externas, até que elas caiam nas armadilhas e, como a relaxação das cargas internas é extremamente lenta (devido à baixíssima condutividade elétrica do material), a eletrização torna-se praticamente permanente. Como regra, um eletreto que possui cargas somente nas superfícies não é tão duradouro quanto um que possua cargas aprisionadas em seu interior. Como
fazer eletretos?
Os eletretos são classificados de acordo com o tratamento dado ao material durante sua formação. Aqueles produzidos mediante aquecimento ou derretimento do material, antes de sua formação, são denominados termo-eletretos. Os produzidos por materiais expostos a radiações são denominados rádio-eletretos. Eletretos formados enquanto o material está exposto a um campo magnético são chamados de magneto-eletretos. Os eletretos feitos com determinados materiais expostos a um campo elétrico sob forte iluminação (como se procede com o enxofre), são chamados de foto-eletretos. Esses, só mantém sua eletrização quando armazenados no escuro. Se o material é eletrizado com cargas provenientes de uma descarga Corona (faísca ou eflúvio), o eletreto resultante denomina-se Corona-eletreto e, se o material é simplesmente exposto a um campo elétrico em sua formação será denominado eletro-eletreto.Existem muitos materiais que podem ser utilizados na produção de eletretos. Cera de carnaúba é especialmente apropriada para experiências de laboratório, mas ela perda a estabilidade mecânica (fica quebradiça), não sendo conveniente para aplicações industriais. Vários tipos de plásticos, como lucite, mylar, teflon etc., possuem excelentes propriedades mecânicas e, portanto, podem ser utilizados para eletretos em aparelhos comerciais ¾ eles são especialmente indicados para eletretos de filmes delgados. Algumas cerâmicas podem ser utilizadas como eletretos. O modo mais simples para fazer um eletreto de filme delgado é pulverizar o material com cargas elétricas mediante uma descarga Corona. O leitor pode fazer eletretos num pequeno laboratório, sem precisar utilizar, quase, nenhum equipamento, a não ser uma fonte de corrente contínua e alta tensão. Uma fonte para TV serve, nossa máquina de eletrizar, um Van de Graaff ou uma máquina de Wimshurst servem também. As figuras-11e 12 ilustram como produzir eletretos de filme delgado ou de placas espessas.
Fig.11 - Um Corona-eletreto é feito pulverizando-se uma folha de plástico com cargas provenientes de uma descarga Corona. Os dois eletrodos são conectadas a uma fonte de corrente contínua e alta tensão de 6 kV ou mais. Entretanto, a tensão deve ficar abaixo da tensão disruptiva, ou seja, aquela cuja faísca fura o dielétrico ou contorne o material pelas bordas.
Fig.12 - Fazendo um Corona-eletreto mediante uma máquina eletrostática de Wimshurst. Quando
os eletretos têm espessura entre 1,5 e 3,0 cm, ou possuem formas próximas
de esfera, cilindro ou de figuras complicadas, o melhor material a ser
utilizado é a cera de carnaúba.
Fig.13 - Formação de um eletreto à base de cera de carnaúba. Discos de papel alumínio colocados entre a mistura derretida e os eletrodos evitam que ela grude nos eletrodos e que o eletreto rache quando estiver encolhendo na fase de resfriamento. Um tamanho adequado para o molde é de 15 cm de diâmetro externo e 7,5 cm de diâmetro interno, sendo a parede interna ligeiramente cônica para facilitar a remoção do eletreto. A tensão aplicada deverá estar entre 10 kV a 20 kV. Uma mistura composta de 45% de cera de carnaúba, 40% de resina e 10% de cera de abelha branqueada, em peso, é derretida á uma temperatura de 120°C a 130°C durante 30 minutos ou até que se torne totalmente líquida. Coloca-se esta mistura líquida num molde plástico, em forma de aro, tendo na base um disco de alumínio. Sobre o aro preenchido com a mistura, coloca-se, também, um disco de papel alumínio. Esse molde plástico (aro) é ligeiramente cônico em sua parte interna, para facilitar a retirada do eletreto. Esse conjunto (disco de alumínio, aro preenchido com a mistura e disco de papel alumínio) é colocado entre dois eletrodos circulares, os quais são ligados aos terminais da fonte de corrente contínua, alta tensão (máquina de eletrizar). Essa alta tensão deve ser aplicada durante 30 minutos (ou até o endurecimento total da mistura). Posteriormente, desliga-se a fonte e retira-se o eletreto do molde. Os discos de papel alumínio podem ser retirados após a formação do eletreto, exceto se, após a formação, o eletreto for submetido a algum tratamento mecânico (cortá-lo, por exemplo). Neste caso, os discos devem ser mantidos até que o tratamento seja completado (os discos protegem as superfícies do eletreto). Ao
ar livre, os eletretos atraem partículas carregadas e vários íons
provenientes do ar, determinando, conseqüentemente, diminuição na sua
eletrização. Portanto, fora de uso, deverão ser embrulhados em papel
alumínio. Este é o design de muitos eletretos comerciais, um
disco de alumínio em cada face. A força dos eletretos é medida em consonância com a densidade superficial específica de carga. Um modo simples de medi-la é colocar um disco metálico (munido de cabo isolante) em contato com a superfície do eletreto e a seguir retirá-lo e encostá-lo num eletrômetro (eletroscópio calibrado em quantidades de carga). A carga indicada pelo eletrômetro dividida pela área da superfície do eletreto fornecerá a densidade superficial específica de carga. Num bom eletreto ela chega a atingir 10-9 C/cm2 (na técnica descrita). Os termo-eletretos de cera de carnaúba, habitualmente, revertam sua polaridade em poucos minutos (mas, algumas vezes, isso ocorre depois de dias, meses e até anos, segundo nos informa pesquisadores e fabricantes estrangeiros) após sua formação. É importante ressaltar que, mesmo que o campo elétrico externo do eletreto venha a ser anulado pela deposição de cargas opostas em suas superfícies (eletreto guardado sem proteção) a distribuição interna de cargas permanece inalterada. De fato, o único modo de modificar essa distribuição de cargas é refundir o eletreto. Os eletretos de cera de carnaúba (mistura) possuem uma distribuição permanente de cargas internas, que é a propriedade característica da alta estabilidade de uma eletreto. Alguns dielétricos, por não apresentarem uma distribuição permanente de cargas internas (polarização), perdem sua eletrização em poucos dias ou meses. Estes são denominados pseudo-eletretos. Um verdadeiro eletreto, se adequadamente protegido, dura, na mínimo, um ano. Aplicações
do eletreto O eletróforo consta de um bolo de resina ou disco de ebonite N (figura-14), que será o p ólo negativo e de um disco de estanho P ou latão, de cabo isolante, que será o pólo positivo. Para o funcionamento, bate-se os pelos de uma pele de gato sobre a resina, que se eletriza negativamente. Põe-se, então, sobre ela o disco metálico. A delgada camada de ar que fica entre ambos funciona como dielétrico (na verdade apenas poucos pontos se tocam) e a carga negativa da resina induz cargas no disco, positivas na face em contato com a resina e negativas na face superior. Colocando-se o dedo na face superior, a carga negativa escoa para o solo e o disco fica somente com cargas positivas, a qual se espalha pelo disco todo depois de afastá-lo do bolo dielétrico.
Fig.14- Eletróforo de Volta (a) e de dieletrina (b). O segundo tipo dispensa o toque manual para a eletrização do disco de alumínio Uma versão melhorada do eletróforo de Volta é o de dieletrina (um isolante resistente, não se esfoliando pelas modificações da temperatura). Nesse o disco metálico é de alumínio e o bolo de dieletrina acha-se atravessado por uma lâmina de zinco, ligeiramente saliente na superfície e ligada inferiormente a uma forma, também de zinco, que emoldura todo o bolo. A eletrização é análoga ao de Volta. A vantagem do aparelho é a de dispensar o toque com o dedo, tarefa que fica para a lâmina de zinco, no simples ato de apoiar o disco sobre o bolo. Em ambos os pseudo-eletretos (por terem sido, simplesmente, eletrizados por atrito) a carga permanece, apenas, na superfície do bolo, não sendo substancialmente alteradas pelo contato dos discos. Daí o fato de se poder eletrizar o disco várias e várias vezes, sem a necessidade de uma nova eletrização do bolo. Quantas alunos já se utilizaram dos eletróforos e quantos professores já os explicaram aos alunos, sem a menor referência aos eletretos! Nos projetos 1 e 2 descreveremos um eletróforo automático (e permanente) de eletreto e uma pilha eletrostática (permanente e de dois pólos). A mais antiga aplicação do eletreto moderno deve-se aos japoneses, que os utilizaram em alguns de seus telefones militares, na Segunda Guerra Mundial. Os microfones de eletreto são, hoje, extremamente difundidos, por seu preço, tamanho (1mm de espessura e 5mm de diâmetro) e excelentes características eletroacústicas. Na figura-15 mostramos a estrutura da maioria dos microfones de eletreto comerciais, produzidos de folhas plásticas (filmes) em suas membranas sensíveis, salientando o transistor de efeito de campo amplificador e casador de impedâncias.
Fig.15 - Microfone comercial de eletreto de lâmina plástica ( filme). A membrana possui um revestimento metálico na superfície frontal, funcionando essencialmente como um microfone condensador. O eletrodo de indução (traseiro) é isolado da caixa. Um transistor (FET) pré-amplificador é colocado no interior do invólucro do microfone (nos microfones de três terminais). Sua função básica é eliminar a capacitância dos longos fios de descida que estaria em paralelo com a capacitância do microfone. Sendo a capacitância dos fios maior que a do microfone, isto causaria uma drástica redução na sensibilidade do microfone. O pré-amplificador "casa" a alta impedância do microfone com a baixa impedância de entrada de um amplificador convencional. No projeto 3, descreveremos a construção de um microfone de eletreto didático, com membrana de folha de alumínio e pré-amplificador de acoplamento. Muitos aparelhos que incorporam eletretos têm sido desenvolvidos e patenteados. Citemos alguns: - detetores de radiação; - dosímetros; - unidades armazenadoras de memória; - medidores de umidade; - purificadores de ar; - detetores de vibrações; - medidores de pressão; - motores eletrostáticos;- geradores de corrente, tensões - e outrosTalvez,
a mais notável aplicação dos eletretos, tenha sido nos detetores sísmicos,
constantes na missão Apollo. Uma sugestão (já não tão recente) é a
sua utilização na sistema de segurança de aeroporto. No projeto 4
apresentaremos um motor, eletrostático, explorando o efeito de
abertura nos eletretos.
Projetos
didáticos Fig.16 - Eletróforo automático, com o eletreto no interior de um anel condutor e apoiado sobre uma base condutora. O anel deve ser ligeiramente mais alto que o eletreto, dessa forma, o disco de alumínio entra em contato com aquele. Pode-se obter, no disco, cargas positivas ou negativas, bastando para isso virar o aro, apoiando-o com a outra face na base condutora. A figura-17 ilustra um gerador que pode fornecer até 25 kV, com o uso de um flyback de TV e um triplicador de tensão usado em TV a cores.
Fig.17 - Gerador de alta tensão, 25 kV CC, utilizando um triplicador de tensão para TV a cores (tipo TV K 76, icotron ou equivalente), a partir de um oscilador de relaxação com SCR. Na "perna" inferior do flyback de TV, deve-se enrolar 10, espiras de cabinho 22 comum, para atuar como primário. O SCR, com dissipador, é do tipo MCR 106. A lâmpada néon (tipo NE-2) é do tipo rabicho, sem resistor limitador interno, sua função é elevar a tensão de disparo no SCR, aumentando assim o rendimento do circuito. O ajuste, para o melhor ponto da constante de tempo e o maior rendimento, é feito no potenciômetro de 4,7 MW O ajuste adequado é aquele que possibilita a maior distância desruptiva (mais longa faísca) entre os terminais de alta tensão. 2
- Pilha eletrostática
Fig.18 - A pilha eletrostática permanente, de eletreto, produz automaticamente cargas de ambas as polaridades. Uma das placas metálicas laterais está marcada com um "+" e a outra com um "-". Elas sempre se carregam com mesma quantidade de carga e sinais opostos. As placas devem se situar, quando encaixadas nas guias, o mais próximo possível do eletreto, sem tocá-lo. Com um eletreto bem formado, a pilha produzirá carga de 10-9C por cm2 de área do eletreto. 3-
Microfone de eletreto (modelo didático) O transistor utilizado foi um HEP801 porém, equivalentes mais modernos (FET, canal N, 2N3819 ou MPF102) podem ser usados. A fonte de tensão para o pré-amplificador alojado na base do microfone é uma bateria de 9 V. A membrana vibrátil é confeccionada com uma folha de papel alumínio (cuidado para não amassar!). O eletreto é colocado dentro do aro de PVC e, o anel isolante, que separa a membrana do eletreto, também fica dentro do aro de PVC.
Fig.19 - O microfone de eletreto didático tem construção bem simples. Pode-se construir um ótimo microfone com eletreto de cera de carnaúba, com 7,5 cm de diâmetro e 1,0 cm de espessura. O intervalo posto pelo anel isolante entre a membrana e o eletreto deve ser mínimo, uma arruela plástica de 0,05 mm é suficiente. A membrana deve estar bem isolada da tela de metal. O pré-amplificador, com transistor de efeito de campo, colocado na base do aparelho é necessário por razões já expostas. 4
- Motor de eletreto A figura-20 ilustra a configuração dos eletretos abertos, para a produção dos campos elétricos.
Fig.20 - Quando o eletreto é colocado entre os eletrodos, o conjunto superior produz um campo elétrico E, com linhas de força orientadas do eletrodo (+) para o eletrodo (-). Esse campo age sobre as cargas positivas da superfície superior do eletreto originando forças cuja resultante F é orientada para a direita. O campo do conjunto inferior tem sentido oposto ao do superior mas, como aí as cargas do eletretos são negativas, a força resultante também origina-se para a direita. Os efeitos superpostos das duas forças arrastam o eletreto para a direita. O motor de eletreto, ilustrado na figura-21, apresenta dois pares de eletrodos fixos e um rotor de disco de eletreto, composto por dois meios-discos com polaridades opostas. Para construir o rotor, o primeiro passo é formar um disco de eletreto (deixamos as medidas a cargo do experimentador), pela técnica inicial da mistura, já abordada. Sem descascar os papeis de alumínio, ao tirar o eletreto da forma, corte-o diametralmente com uma serra de dentes finos. Posteriormente, as duas partes são coladas juntas, após a inversão de faces de uma das metades, dessa forma, teremos novamente um disco, composto de dois semi-discos de polaridades opostas. Faz-se um orifício central nesse disco no qual passa-se o eixo de latão, com extremidades cônicas. Antes de colocar o rotor entre os estatores (os dois pares de meios-discos de alumínio), os papeis alumínio do rotor-eletreto devem ser retirados. O motor requer para seu funcionamento, uma fonte de tensão de 6 kV a 10 kV CC. A energia elétrica chega da fonte aos estatores através de um comutador montado sobre um cilindro de plexiglas encaixado firmemente no eixo. Os contatos do comutador são de folhas finas de cobre, bronze fosforoso ou mesmo papel alumínio autocolante. As escovas são confeccionadas com quatro parafusos bem pontiagudos, que são colocados próximo ao comutador, mas sem tocá-lo. A transferência é por descarga Corona. Os eletrodos do estator devem ser bem ajustados, de modo que, o espaço de ar entre eles e o eletreto seja mínimo. Isso é importante, uma vez que o torque da força no rotor é proporcional à razão entre a espessura do eletreto e a espessura da camada de ar; esse torque é praticamente independente da extensão dos estatores. As separações desses estatores, de um mesmo lado do eletreto, devem ser tais que não ocorra faiscamento entre os semi-discos. A figura abaixo não mostra os detalhes dos isolantes que mantêm os estatores fixos.
Fig.21 - Esse motor de eletreto, de construção bastante delicada, utiliza o efeito de abertura em seu funcionamento. Os estatores devem estar bem próximos do rotor de eletreto, mas sem tocá-lo. O comutador, de desenho especial, garante a alternância das polaridades nos estatores ao passar pela linha neutra do eletreto. Finalizando, espero ter cumprido o proposto. Divulgar o eletreto através de um histórico, preparação, comentários, aplicações e projetos. Dispensamos profundos detalhes nas montagens descritas, pois trata-se de um assunto aberto visando com isso incentivar os pesquisadores a utilizarem seus dotes de inventividade. "Se a Física fosse teoria acabada, o mundo seria um lugar muito desinteressante, e por isso estou contente por vos deixar com explicações incompletas, pistas frustrantes e perspectivas de novas histórias, todas tão intrigantes como a do gato de Schrödinger" (John Gribbin - Última frase /texto do livro À procura do gato de Schrödinger).
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