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Eletreto
(O 'ímã' da Eletrostática)

Prof. Luiz Ferraz Netto
Instituto de Física - USP
Laboratório de Demonstrações
1994
leobarretos@uol.com.br 

Introdução
Magnetos, calamitas ou ímãs, são corpos que apresentam uma duradoura magnetização. Há muito tempo eles são conhecidos e aplicados nas ciências, industrias e outras atividades. O magneto ou ímã não é uma novidade, o colegial facilmente o identifica no interior do motor de seu autorama e até nos 'enfeites' de portas de geladeiras. Entretanto, há muitas pessoas que ainda não têm conhecimento da existência de corpos possuidores de uma duradoura eletrização e que são denominados eletretos. Divulgar esses corpos é a finalidade deste artigo, delineado em março de 1994.

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 da Globo" 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 Whimshurst, 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 (IFUSP), 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
"Será que existe uma maneira de fazer com que a propriedade da atração elétrica seja mais permanente nos corpos?"
Essa indagação foi escrita pelo primeiro pesquisador da condução elétrica, Stephen Gray, em 1732.
Ele descreve, em seu texto, vários materiais dielétricos (resina, goma-laca, cera de abelha branqueada, enxofre etc.) que foram inicialmente derretidos em recipiente de vidro e a seguir, deixados a esfriar, até adquirirem a total solidez. Posteriormente tais recipientes foram ligeiramente aquecidos para permitirem a retirada dos dielétricos, desprendendo-os das paredes laterais e fundo, como ilustra a figura -1.


Fig.1- (a) derretimento; (b) resfriamento lento; (c) ligeiro aquecimento; (d) retirada 
do 'bolo dielétrico'; (e) resfriamento.

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
Gray concluiu também que, se os corpos assim eletrizados fossem mantidos embrulhados em papel ou pano, a eletrização de seus bolos dielétricos podia ser preservada durante meses.

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. 
Proponho que o leitor refaça os experimentos de Gray, usando cera de carnaúba, pois num dos experimentos do autor, realmente a coisa estava eletrizada.

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 demonstrável 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.


Fig.2- Capacitor desmontável de
Franklin.

Fig.3- Modelo didático: 
(1) copo cônico de alumínio (armadura externa); 
(2) copo cônico de plástico (dielétrico); 
(3) copo cônico de alumínio (armadura interna).

Fig.4- a) o capacitor (1,2,3) é carregado com a ajuda de uma máquina eletrostática (4); 
b) o capacitor é descarregado mediante um excitador (5); 
c) o capacitor é desmontado,  retirando-se a placa de vidro. 
Constata-se que a placa dielétrica apresenta-se eletrizada  (tornando-se um eletreto) através do pêndulo eletrostático (6); 
d) descarrega-se novamente as placas metálicas (por via das dúvidas!) com o excitador (5)  e, a seguir, recoloca-se a placa dielétrica entre armaduras (2,3). O dielétrico induz  cargas opostas nas placas e uma nova centelha pode ser obtida com o excitador. A seqüência (b), (c) e (d) pode ser repetida várias vezes, dispensando a fase (a).

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.
A reversão da polaridade, descoberta por Faraday, é um importante efeito que aparece, inclusive, nos modernos eletretos. Voltaremos a esse pormenor, mais adiante.

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 Whimshurst. 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. 
Essencialmente, é um oscilador Hartley, usando um transistor NPN de potência (por exemplo, 2N3055) e um flyback, com um enrolamento postiço, na perna livre, de (15 + 15) espiras, fio 22 encapado. Ilustramos o esquema elétrico da máquina de eletrizar (ou fonte de alta-tensão-CC) na figura-5.

Fig.5 - Máquina de eletrizar eletrônica: T1 - transformador (110/12V,2A); D1 - diodo retificador para 3A; C1 - capacitor eletrolítico 2200mF x 25V; TR - transistor NPN (2N3055 ou equivalente); 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.

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. 
Em 1849, o físico italiano Carlo Matteuci descreveu vários experimentos sobre absorção dielétrica. Na mais significativa, ele colocou a extremidade de uma haste de enxofre em contato com um condutor carregado, por um determinado tempo e, a seguir, mediu a distribuição de cargas ao longo da haste e através dela. Ele concluiu que as cargas elétricas penetravam somente numa pequena extensão da haste. Sendo assim ele realizou um experimento similar, desta vez utilizando-se de um dielétrico composto, feito com uma grande quantidade de folhas de malacacheta (mica). Observando as folhas individualmente, após terem sidos carregadas, ele concluiu que, (a) se o tempo de carga fosse suficientemente longo, as folhas adquiriam cargas elétricas provenientes do condutor, mas (b) se o tempo de carga não fosse longo, as folhas exibiriam apenas uma polarização residual. A figura-7 ilustra uma nova experimentação. Desta feita, Matteuci carregou suas hastes de enxofre, primeiro positivamente e depois negativamente.

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.
Finalmente, ele concluiu que a eletrização de um dielétrico podia exibir várias reversões de polaridade, desde que o dielétrico tivesse sido carregado alternadamente, ou seja, positiva e negativamente.

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. 
Até mesmo um paradoxo podemos destacar: analisemos, microscopicamente, o íntimo contato entre o condutor sólido e o dielétrico. Todos os sólidos apresentam irregularidades na sua superfície, conseqüentemente, apenas poucos pontos do condutor podem realmente entrar em contato com o dielétrico, durante a carga.
Sendo assim, somente pequenas quantidades de cargas elétricas poderiam se transferir do condutor para o dielétrico. Entretanto, observou que a eletrização dos dielétricos era freqüentemente muito forte. Uma aparente contradição.

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 pólvora (não condutora), 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 pólvora 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.

A pólvora 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. 
Recorte uma figura qualquer num papel alumínio e um retângulo, também em papel alumínio. Coloque o retângulo (ligado a um fino fio de cobre) sobre a bancada, ponha uma placa de vidro recobrindo o retângulo, coloque a figura sobre o vidro e um peso metálico sobre a figura, como se ilustra na figura-9. Ligue os terminais da máquina de eletrizar, um ao peso condutor e o outro ao fiozinho de cobre. Deixe a máquina ligada por 10 minutos. Desligue tudo e retire a placa de vidro. Para enxergar a sua figura elétrica, basta bafejar sobre o vidro. A condensação do vapor de água exalado sobre a região da figura permite sua visualização. Pode-se guardar o vidro e repetir o bafejamento por muitos dias (ou meses) seguidos.

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: 
(1) polarização, devido à migração de cargas internas para a superfície do dielétrico; 
(2) polarização, devida à migração de cargas internas para as várias camadas no interior do dielétrico; 
(3) polarização, devido a migração de cargas atômicas para as extremidades opostas das moléculas no dielétrico; 
(4) polarização, devido ao alinhamento de moléculas polares no dielétrico. Veja figura-10.

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:

I - Coloque um dielétrico (que propicia uma absorção) no interior de um campo elétrico;

II - Mantenha o dielétrico no campo o tempo suficiente para que a absorção seja completa;

III - Remova o dielétrico do campo. Se o dielétrico estiver com a polaridade de acordo com a prevista pela técnica de absorção, com eletrização intrínseca, o dielétrico produzirá seu campo elétrico próprio, parecido com o campo magnético de um ímã, de formato similar;

IV - Cubra o eletreto com uma cobertura condutora. Tal procedimento produzirá cargas na superfície do eletreto, que neutralizarão sua eletrização intrínseca (interna);

V - Remova a cobertura condutora. O eletreto neutralizado não mais exibirá o campo elétrico externo;

VI - Deixe a eletrização intrínseca diminuir. Com isso restaura-se o campo elétrico externo (de polaridade oposta àquela vista no item III). Ocorre a reversão da polaridade porque as cargas na superfície permanecerão constantes, enquanto que a eletrização intrínseca diminui. (Agora sabemos que, na realidade, em muitos eletretos, as cargas na superfície diminuem, enquanto que a eletrização intrínseca ou interna permanece praticamente constante).

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: 
(a) homocarga, cuja polaridade, como vimos, é a mesma daquela do eletrodo em contato com o dielétrico;
(b) heterocarga, cuja polaridade é oposta àquela do eletrodo injetor, na fase de carga.

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?
Como se infere do histórico precedente, para fazer um eletreto é necessário produzir:

- acúmulos de cargas duradouras no material dielétrico;
- polarização duradoura do material dielétrico;
- ou ambos.

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 radio-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 Whimshurst 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 desruptiva, 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 Whimshurst.

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. 
A figura-13 ilustra um modo simples de preparar um eletreto à base de cera de carnaúba.

Fig.13- Houve problema com o arquivo dessa ilustração

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. 
Por razões análogas, os ímãs devem ser guardados com armaduras.

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
A mais antiga aplicação da duradoura eletrização de um dielétrico, na verdade um pseudo-eletreto, aparece num dispositivo denominado eletróforo ( denominação dada pelo cientista sueco, Johannes Wilcke). O eletróforo é constituído por um disco dielétrico (o bolo) apoiado sobre uma base condutora e de um disco condutor com cabo isolante. Por vezes o colegial o reconhece como eletróforo de Volta.

O eletróforo consta de um bolo de resina ou disco de ebonite N (figura-14), que será o polo 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 outros

Talvez, 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  
1- eletróforo automático
 
Na figura-16 ilustramos sua montagem, a partir de um eletreto de mistura de cera de carnaúba, formado a partir de explicações anteriores. Esse eletreto, de 7,5 cm de diâmetro por 1,0 cm de altura deve ser colocado dentro de um aro condutor (de altura pouco maior que 1,0 cm) e repousado numa base condutora. O autor, num primeiro ensaio, usou um simples lata de goiabada, com total sucesso. O bolo, neste ensaio, ficou com cerca de 0,5 mm abaixo da borda da lata. O propósito dessa ligeira borda saliente é eliminar a necessidade de se tocar o disco (com cabo isolante) com o dedo, para escoar a carga induzida de mesmo sinal que aquela do eletreto. Fica claro que, para isso, o disco do eletróforo deve ter diâmetro maior que o aro condutor ( ou do diâmetro da lata de goiabada). Esse disco pode ser de alumínio ou latão e deve ter seu bordo arredondado, devido as perdas de cargas pelo poder das pontas. O cabo desse disco deve ser de um bom isolante, tal qual o plexiglas.

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  
Esse projeto é um aperfeiçoamento do eletróforo automático. Ele consiste de um eletreto montado em uma caixa isolante (peças de PVC coladas com adesivo próprio), com uma base condutora e duas placas metálicas laterais que deslizam em guias previstas na caixa isolante. É algo parecido com uma caixinha de guardar giz, onde o apagador é a tampa deslizante. Essas duas placas metálicas deslizantes são munidas de punhos isolantes. A figura-18 ilustra o projeto. Ele funciona essencialmente como o eletróforo de eletreto. Basta retirar uma das placas e elas já saem eletrizadas, prontas para uso. Uma placa proporciona carga negativa e a outra positiva - é uma verdadeira pilha eletrostática. A base metálica tem a mesma função que o aro metálico do eletróforo. O aparelho deve ser guardado sempre com as duas placas (+) e (-) em suas devidas ranhuras da caixa. No armazenamento do conjunto, essas placas "em curto circuito" têm finalidades análogas às armaduras de armazenamento de um ímã ¾ como você sabe, um ímã não pode ser guardado “aberto”; uma armadura de ferro deve “curtocircuitar” seus pólos para manter o campo de indução magnética preso no interior da massa metálica.

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 modelo selecionado para esse projeto didático é uma versão moderna daquele que foi montado em 1964 e utilizado com total sucesso pela estação de TV de Pittsburgh (isso aconteceu antes que os microfones comerciais de eletreto estivessem disponíveis). A figura-19 ilustra sua montagem, a partir de um "bolo" de eletreto de 7,5 cm de diâmetro e 1,0 cm de espessura, de cera de carnaúba.

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  
O efeito de abertura consiste no aparecimento de uma força peculiar atuante nos eletretos por estarem mergulhado em dois campos elétricos distintos, de sentidos opostos. Trata-se de força nascida pela presença de cargas (do eletreto)sob a ação de um campo elétrico externo.

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 do livro À procura do gato de Schrödinger).

 


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