Indo Além da Atração e Repulsão nas Aulas
de Eletrostática
Marcos Alfredo Salami – MCT/PUCRS
João Bernardes da Rocha Filho – FAFIS/PUCRS
Introdução
O estudo da Eletrostática no Ensino Médio pode ser
prejudicado pela dificuldade de correlacionar os fenômenos verificados nos
experimentos clássicos com a natureza microscópica da eletrização dos corpos.
Isso ocorre, dependendo da abordagem utilizada pelo professor para a
transposição didática relacionada a este conteúdo, principalmente porque uma
grande parte dos resultados obtidos em experimentos tradicionais envolve
simplesmente a manifestação de forças de atração e repulsão. Esses experimentos
usualmente utilizados para o ensino da Eletrostática são simples e de fácil
reprodução, apesar da complexidade inerente ao assunto, o que é favorável tanto
para a disseminação quanto para a fixação do conhecimento, mas tendem a enfatizar
demasiadamente as forças elétricas utilizadas, em geral, para a identificação
das polaridades das cargas acumuladas ou como evidência da eletrização, em
eletroscópios de folhas ou sistemas leves que se movimentam.
A
experimentação que explora as forças de natureza elétrica é útil e necessária à
aprendizagem, mas pode também ser fonte de prejuízos se este for o único
aspecto da eletricidade estática desenvolvido experimentalmente pelo professor.
Caso a experimentação se concentre excessivamente na manifestação de forças,
ainda que inadvertidamente, alunos com conhecimentos anteriores superficiais de
Gravitação e Magnetismo, empíricos ou formais, podem acabar estabelecendo um
certo nível de confusão na diferenciação destes fenômenos, também caracterizados
por forças, pois “...os modelos mentais
são construídos por analogia com sistemas mais familiares” (Borges, 1998).
A semelhança entre as descrições matemáticas e as propriedades macroscópicas
destes conteúdos, associada à experimentação didática que não contribui para a
elucidação das diferenças, pode dificultar a aprendizagem de alunos nas etapas
iniciais do processo educativo, quando estes estão sendo apresentados a um
conjunto novo de conhecimentos.
É claro que as forças de origem elétrica devem ser fartamente
exploradas no estudo da Eletrostática, como também o devem as forças
gravitacionais e magnéticas, distintamente e a seu tempo, mas tanto a
manifestação dinâmica quanto o equacionamento matemático destes três aspectos
da natureza são intrinsecamente próximos, sendo recomendável distingui-los
claramente, salientando suas diferenças quando a oportunidade permitir. Alerta
para esta particularidade, o professor tem a opção de incluir, juntamente com
os experimentos tradicionais, práticas experimentais que ressaltem de pronto o
caráter elétrico do fenômeno estudado, ainda que esta determinação acarrete a
necessidade do desenvolvimento e aplicação de experimentos um pouco mais
complexos. Trata-se fundamentalmente de enfatizar as diferenças para, posteriormente,
esclarecer as semelhanças.
Uma das possibilidades didáticas elucidativas, porém
simples, e que salienta diretamente o caráter elétrico dos fenômenos envolvendo
corpos carregados, utiliza detectores eletrônicos de potencial capazes de
acusar a proximidade de corpos eletricamente carregados através de um
voltímetro. Instrumentos desta natureza, se bem aproveitados, representam
complementos úteis na experimentação didática, seja em aulas demonstrativas,
seja por aprendizagem pela pesquisa, especialmente quando utilizados nos
experimentos iniciais de Eletrostática, pelos seguintes motivos:
a) O
professor evita que os alunos associem a Eletrostática apenas à atração e
repulsão de corpos leves ao mesmo tempo em que cria uma vinculação entre ela e
a Eletrodinâmica, que normalmente é ensinada na seqüência;
b) Ao
contrário dos experimentos de Eletrostática que envolvem a manifestação de
forças, experimentos envolvendo a detecção eletrônica de potenciais dão uma
perspectiva direta da ligação entre carga elétrica e potencial elétrico, que
pode ser aproveitada no desenvolvimento subseqüente dos conteúdos;
c) O
professor apresenta aos alunos um instrumento que, de certa forma, lhes é familiar e semelhante a diversos equipamentos
eletrônicos transistorizados disseminados na sociedade, o que aproxima a Física
experimental das vivências cotidianas e facilita a compreensão e apreensão do
conteúdo;
d) O
instrumento pode ser utilizado como um eletroscópio sensível em praticamente
todos os experimentos imagináveis, incluindo a detecção de cargas pequenas, os
efeitos da blindagem metálica e do aterramento, e até a aproximação de nuvens
carregadas, durante tempestades;
e) Alguns
alunos podem ter conhecido e manuseado voltímetros analógicos fora da escola,
considerando que estes instrumentos são amplamente utilizados por eletricistas,
eletrotécnicos e mecânicos de automóveis, entre outros profissionais,
fortalecendo o elo entre o conteúdo programático e a realidade;
f)
A utilização de um circuito transistorizado e um
voltímetro numa aula experimental introdutória de eletricidade pode ser um
excelente agente motivador para a aprendizagem, já que associa o conteúdo
formal a uma aplicação profissional objetiva que pode estar no horizonte de
perspectivas de trabalho de alguns alunos. Estas profissões podem envolver
manutenção de aparelhos de áudio e vídeo, de computadores, eletrodomésticos,
redes e aparelhos de telefonia, eletricidade e eletrônica de automóveis, além
de instalações elétricas residenciais e comerciais, incluindo profissões de
nível superior, como Engenharia Elétrica e Física;
g) O
professor pode, durante a preparação para a experimentação, utilizar o próprio
princípio de funcionamento do galvanômetro usado no voltímetro (mostrado na
fig. 1) como um exemplo de sistema eletrodinâmico simples, antecipando
conteúdos de magnetismo e despertando interesse produtivo, e;
h) O
detector de cargas aqui proposto é simples, barato, e pode ser construído
utilizando componentes de sucata, existentes na própria escola ou obtidos a
custo baixo no mercado de componentes eletrônicos, exigindo para sua montagem
apenas um pouco mais de atenção do que a maioria dos experimentos tradicionais,
baseados exclusivamente em forças.
Embora o objetivo não seja medir os potenciais gerados
por cargas estáticas, mas sim detectar sua presença, para realizar estes
experimentos o professor poderia utilizar um voltímetro comercial de alta
impedância, aterrado e com sua entrada ligada a uma pequena ponteira ou antena
sensora. Este instrumento seria capaz de detectar a presença próxima de corpos
carregados estaticamente pelo potencial que induzem na antena, ainda que o
valor medido fosse divergente do valor teórico calculado para carga pontual em
espaço vazio, conseqüência da deformação do campo elétrico ao redor do sensor
metálico e da resistência finita do medidor, principalmente. Voltímetros
comerciais de alta impedância, infelizmente, são impeditivamente caros, apesar
do valioso uso educacional que potencialmente possuem, levando ao
desenvolvimento do detector de cargas apresentado a seguir.
Orientações Gerais Sobre a Eletrização
Experimental
Os conteúdos da Eletrostática estão presentes nos
currículos de formação de professores, assim como nos livros didáticos adequados
ao Ensino Médio, e não seria produtivo repetir aqui estas informações básicas
que todo professor domina satisfatoriamente. Pode ser útil, entretanto, a
disponibilização de algumas orientações sobre os materiais empregados na
eletrização experimental, considerando que a literatura descreve freqüentemente
certas substâncias especiais (âmbar, ebonite, celulóide, enxofre, por exemplo)
ou corpos de formato específico (cilindros maciços de vidro ou polietileno por
exemplo) que podem ser difíceis de obter.
Nos experimentos descritos a seguir as eletrizações por
atrito foram obtidas com materiais comuns, disponíveis a todos os professores
de Física de qualquer cidade brasileira. Não são necessários materiais
especiais porque o instrumento detector proposto é suficientemente sensível
para indicar a presença de cargas pequenas, em comparação com os instrumentos
detectores que utilizam a intermediação de forças, como os eletroscópios de
folha metálica, por exemplo. Durante os testes do protótipo do instrumento detector
apenas materiais disponíveis numa sala de aula típica foram utilizados, como
pedaços de espuma Isopor (BASF), canetas plásticas (BIC), réguas plásticas
(Xalingo), tecidos sintéticos variados emprestados das roupas dos alunos,
pedaços de madeira compensada, papelão, sacolas plásticas de supermercado e
outros, gerando resultados perfeitos. A abundância de materiais adequados à
experimentação permite, inclusive, que o professor proponha aos alunos o
desafio experimental de elaborarem sua própria série triboelétrica.
Também foram descritos experimentos opcionais utilizando
aparelhos de televisão, monitores de computador ou fontes de altas-tensões
didáticas que podem existir em algumas escolas, mas sua utilização não é
indispensável. Professores interessados e alunos motivados encontrarão outros
materiais e criarão experimentos interessantes utilizando a alta sensibilidade
do instrumento detector, limitados somente pela imaginação.
Princípio de Funcionamento do Detector
A fig.1 representa uma régua escolar plástica que é
atritada contra um pedaço de Isopor, ficando positivamente carregada. Se esta
régua carregada for aproximada do fio positivo de um voltímetro, com o fio
negativo aterrado, a carga nela armazenada induzirá um movimento de cargas através
dos fios do medidor. Elétrons serão atraídos do aterramento para a ponta do fio
vermelho, próximo da régua, produzindo uma pequena corrente elétrica momentânea
que poderia, em princípio, ser suficiente para produzir um movimento do
ponteiro.
Figura
1 - Eletrizando uma régua e detectando a carga com o auxílio de um voltímetro
simples
Voltímetros reais, porém, têm resistência finita,
exigindo que a fonte de potencial produza e mantenha uma certa corrente para
que possam funcionar. As resistências internas dos modelos analógicos não
eletrônicos variam com a escala utilizada e com a qualidade do instrumento, ou
sensibilidade, usualmente entre 2 kW/V e 50 kW/V,
informação quase sempre disponível no mostrador dos tipos comerciais.
Multímetros digitais portáteis têm, geralmente, escalas de tensão com
resistências internas fixas de 1 MW ou 10 MW.
Um multímetro analógico nacional difundido e muito utilizado por técnicos de
telefonia, por exemplo, com sensibilidade de 2 kW/V, apresentaria uma
resistência interna de 2 kW/V
x 10 V = 20 kW
numa escala de 10 Vcc. Para que este multímetro mantivesse uma indicação de 5
V, por exemplo, a fonte de potencial deveria prover uma corrente permanente de
5 V / 20 kW =
250 mA,
que representa um fluxo contínuo de cerca de 1,56x1015 elétrons por
segundo. Cargas estáticas obtidas em situações didáticas não podem induzir
fluxos eletrônicos desta magnitude por períodos de tempo que permitam a
visualização de uma indicação num multímetro.
Em
experimentos didáticos, portanto, deve-se providenciar ampliação eletrônica da
resistência de entrada do voltímetro utilizado, ainda que com isso se aumente a
imprecisão da medição, um item pouco relevante para o propósito de detecção de
cargas estáticas. Isto pode ser feito de forma simples a partir de um
amplificador baseado em um transistor de efeito de campo (FET - Field Effect
Transistor), que permite ampliar a resistência de entrada de um voltímetro
comum para valores tão elevados como 1 TW (1x1012 W),
suficiente para objetivos didáticos, resultando em um circuito que pode ser
observado na fig.2, abaixo. A corrente que a carga induzida deve prover através
da ponteira sensora e da ligação de aterramento, nestas condições, pode ser 50
milhões de vezes menor que a do exemplo anterior.
Figura
2 - Ampliando a resistência interna de um voltímetro analógico por meio de um
transistor de efeito de campo
Com a ampliação da resistência interna do voltímetro o
sistema se transforma num eficiente detector de cargas estáticas, mesmo fracas,
como as obtidas pela eletrização de canetas, réguas e outros pequenos objetos
de uso comum. Melhor que um simples detector, este instrumento é capaz de
fornecer uma indicação proporcional que permite uma avaliação comparativa da
carga armazenada em um mesmo corpo exposto a diferentes processos de
eletrização. A deflexão do ponteiro tende a aumentar com o aumento da carga ou
com a aproximação de um corpo positivamente carregado, e sua sensibilidade é
grande o suficiente para permitir experimentos didáticos com materiais comuns.
Os Materiais, Componentes e o Circuito Completo do Detector
O detector proposto utiliza alguns componentes que,
apesar de baratos, provavelmente só podem ser encontrados em lojas de
eletrônica. Professores residentes em cidades que não dispõem de comércio
especializado de componentes eletrônicos têm a opção de comprá-los pela
Internet, em lojas virtuais, ou solicitá-los a técnicos em eletrônica
estabelecidos, que poderão obtê-los facilmente até da sucata. Outros materiais
podem estar disponíveis na própria escola, como o multímetro e a matriz de
contatos (ProtoBoard), e outros ainda podem ser encontrados no comércio geral.
Para
a construção do detector de cargas estáticas os seguintes materiais são
necessários:
a) um
voltímetro analógico, ou medidor, com escala entre 2 Vcc (Vcc = Volts de
Corrente Contínua) e 10 Vcc. No protótipo foi utilizada a escala de 2,5 Vcc de
um multímetro ICEL Gubintec modelo IK35A, de fabricação nacional, mas qualquer
outro multímetro ou voltímetro de corrente contínua com escalas de tensão
semelhantes pode ser usado;
b) uma
esfera de Isopor de aproximadamente 4 cm de diâmetro, ou uma bolinha de
pingue-pongue, ou qualquer outro objeto esférico leve que possa ser usado na
construção da antena sensora. O formato esférico e o diâmetro são apropriados
pois permitem a retenção de uma pequena carga, suficiente para manter a
indicação por tempo suficiente para a leitura;
c) uma
folha de “papel” alumínio, do tipo que é usado em culinária, suficiente para
cobrir totalmente a bolinha do item b), tornando-a condutiva e permitindo sua
ligação elétrica ao circuito;
d) um
clipe de arame de tamanho médio, do tipo usado para prender papéis, que servirá
de suporte e contato elétrico para a bolinha do item b). Cuidado especial deve
ser tomado para que efetivamente se faça o contato elétrico entre o papel
alumínio e o clipe, pois disso depende o funcionamento correto do instrumento;
e) uma
bateria de 9V, de uso generalizado em rádio-relógios de cabeceira;
f)
um plugue com fios polarizados para ligação da
bateria de 9 V ao circuito;
g) uma
matriz de contatos para montagens eletrônicas experimentais, que pode ser
encontrada com o nome comercial de ProtoBoard, de 550 pontos (se o professor
preferir soldar os componentes a matriz de contatos é desnecessária);
h) um
capacitor de poliéster ou eletrolítico de 1 mF e 63 V;
i)
dois resistores de 47 kW e
½ W;
j)
um transistor de efeito de campo MPF102;
k) alguns
metros de fio de telefone, trançado, com cobertura cinza (qualquer fio serve,
mas este tem a bitola exata necessária para conexão à matriz de contatos);
Nenhum dos componentes da lista acima é crítico e,
algumas vezes, grandes variações nos valores propostos são toleráveis. A folha
de alumínio é utilizada para envolver a bolinha com uma camada eletricamente
condutiva e o clipe de arame, introduzido parcialmente na bolinha, serve ao
mesmo tempo de suporte e de condutor de ligação elétrica do papel alumínio ao
circuito. O capacitor eletrolítico ou de poliéster serve como filtro e o
circuito funcionará bem com qualquer valor acima de 100 nF e qualquer tensão
acima de 9 V (se optar pelo capacitor eletrolítico, ao invés do de poliéster,
observe sua polaridade). Os resistores podem ser de qualquer potência
disponível. O fio trançado de telefone é útil porque tem a bitola certa
admitida pela ProtoBoard, assim como o clipe de arame médio, mas nenhum destes
componentes é insubstituível. Se o professor tiver alguma prática com soldagem
pode optar por unir diretamente os componentes sem o auxílio da ProtoBoard.
Neste caso vai precisar também de um ferro de solda de 30 W e um metro de solda
de chumbo-estanho.
A fig. 3 mostra o circuito elétrico do detector de cargas
estáticas com a simbologia eletrônica tradicional. Professores que têm prática
em montagens eletrônicas podem compreender bem este diagrama, utilizando-o na
montagem. Para os que não possuem conhecimentos experimentais neste campo a
fig. 4 mostra as ligações e os componentes como eles parecem exteriormente, e o
professor pode copiar estas ligações usando a matriz de contatos ProtoBoard ou
por soldagem. Professores que cumpriram disciplinas de Instrumentação em seus
cursos de graduação ou pós-graduação estarão provavelmente familiarizados com a
confecção de placas de circuito impresso, e talvez optem por esta montagem mais
profissional.
Figura 3 – Circuito elétrico do detector de cargas
estáticas
Figura 4 - Diagrama físico de ligações dos componentes do detector
de cargas estáticas
O
protótipo construído e utilizado para o desenvolvimento dos experimentos
descritos a seguir foi montado em uma ProtoBoard, e uma fotografia desta
montagem é mostrada na fig. 5.
Figura 5 – Fotografia do
protótipo utilizado para a realização dos experimentos descritos
Nesta foto se pode ver claramente o multímetro utilizado,
a matriz de contatos, a bateria e a esfera sensora. O transistor, os resistores
e o capacitor são pequenos demais para serem vistos em uma imagem panorâmica
como esta, mas o olho treinado de um professor com prática anterior em
eletrônica pode ser capaz de encontrá-los entre os fios de ligação. De qualquer
forma os diagramas apresentados nas fig. 3 e 4 são suficientes para que a
montagem possa ser realizada facilmente.
Para que o professor utilize adequadamente este
instrumento é recomendável que conheça seu funcionamento, que está baseado nas
propriedades do Transistor de Efeito de Campo (FET). São fornecidas a seguir
algumas informações básicas suficientes para a compreensão da operação do
circuito, mas o professor pode consultar diversos bancos de dados de eletrônica
que estão disponíveis na internet, em muitos dos quais há excelentes materiais
técnicos sobre componentes eletrônicos, incluindo os FET. No final deste texto
há referências a alguns dos endereços eletrônicos que podem ser acessados para
este fim.
Os
FET têm usualmente três terminais, como se pode observar pelos diagramas
elétricos mostrados anteriormente. A corrente elétrica entre os terminais
denominados fonte (source) e dreno (drain) é controlada pelo
potencial existente na comporta
(gate) em relação ao terminal fonte. Um gráfico que ilustra esta dependência é
mostrado na fig. 6.
Figura 6 – Corrente dreno-fonte
(idf) em função da tensão comporta-fonte (Vcf) no FET utilizado no detector de
cargas elétricas
O
gráfico mostra que a corrente entre fonte e dreno tende a zero somente quando a
comporta possui um certo potencial negativo em relação ao terminal fonte, e
tende a um valor máximo quando o potencial da comporta tende a zero. Da forma
como o circuito foi construído isto significa que o voltímetro marcará zero
somente quando a ponteira sensora estiver com um potencial negativo, e marcará
um valor máximo quando a ponteira sensora estiver em potencial zero.
Para
que uma indicação nula possa ser obtida sem complicar demasiadamente o circuito
foi incluído um divisor de tensão construído a partir de dois resistores
iguais, que permite a existência de um potencial de referência (aterramento) de
4,5 V negativos em relação ao terminal fonte do FET. Assim, sempre que o sensor
for levado a este potencial negativo (através de um fio de contato momentâneo,
por exemplo) a corrente dreno-fonte e o voltímetro tenderão a zero. Por este
motivo é útil deixar livre um pedaço de fio, ligado ao pólo negativo da bateria
ou ao condutor de aterramento, destinado a um contato momentâneo com a esfera,
no início de cada experimento, com o propósito de levar a indicação do
voltímetro até zero. Com este cuidado também podemos eliminar qualquer carga positiva
que a esfera possa ter adquirido durante um experimento anterior, que levaria o
instrumento à saturação.
Experimentos Propostos
Para todos os experimentos propostos a seguir o pólo negativo
da bateria de 9 V (veja diagramas) deve ser ligado, por intermédio de um
condutor que pode ser uma das vias de um par trançado telefônico, até um ponto
de aterramento, como uma tubulação hidráulica metálica enterrada no solo, um
eletroduto metálico aterrado, uma porta metálica ou uma janela metálica
instaladas. O aparelho funciona sem este cuidado mas deixa de ter um potencial
fixo de referência e pode ter sua sensibilidade reduzida em certas situações
experimentais nas quais cargas elétricas são armazenadas no corpo do
instrumento.
Antes da maioria dos experimentos a esfera sensora deve
também ser ligada momentaneamente ao negativo da bateria, ou ao condutor de
aterramento, para que o voltímetro indique zero, como explicado acima. Um
pequeno fio de 15 cm de comprimento deve ser suficiente para este propósito.
a)
Detectando
Cargas Positivas
É o experimento mais básico que pode
ser realizado. Inicialmente é necessário descarregar a esfera, encostando-se a
ela a ponta descascada do fio aterrado, o que deve fazer o ponteiro do
voltímetro indicar zero. Em seguida, basta esfregar a régua plástica no pedaço
de Isopor e aproximá-la da esfera sensora, sem encostar. A carga positiva
depositada sobre a superfície da régua induzirá uma movimentação de elétrons,
do aterramento para a superfície da esfera. O transistor perceberá esta
movimentação de cargas como efeito de um potencial positivo aplicado no
terminal denominado comporta, fazendo-o conduzir, o que causará movimentação do
ponteiro do voltímetro. Qualquer outro corpo positivamente carregado produzirá
o mesmo efeito e o professor pode incentivar seus alunos a descobrir outros
objetos existentes na sala de aula que podem ser positivamente carregados por
atrito.
b)
Detectando
Cargas Negativas
Como a
corrente dreno-fonte deixa de ser zero apenas para potenciais acima de um
mínimo negativo na comporta-fonte, torna-se necessário uma alteração das
condições iniciais do experimento. Há várias possibilidades, entre as quais
citamos três, a seguir:
b1 –
o professor, ou seus alunos, podem carregar um objeto positivamente e,
aproximando-o da esfera, mantê-lo nesta posição como no experimento a),
o que fará o ponteiro do voltímetro se mover para um valor positivo qualquer.
Em seguida, se um corpo carregado negativamente for trazido para as
proximidades da esfera, um movimento do ponteiro em direção à indicação zero é
esperado, confirmando uma carga negativa em aproximação. Sendo o potencial uma
grandeza escalar, o sensor estará simplesmente indicando a soma dos potenciais
causados pelas cargas ao seu redor, e o professor pode utilizar este
experimento para demonstrar este ponto;
b2 –
um corpo, previamente carregado positivamente, como a régua do experimento a),
é encostado à esfera sensora, transferindo a ela uma parte da carga nele
armazenada. Com a esfera carregada positivamente o ponteiro do voltímetro
permanecerá em um valor positivo qualquer, mesmo após o afastamento do corpo
positivo. Então, a aproximação de um corpo carregado negativamente fará o
voltímetro reduzir proporcionalmente esta indicação, confirmando a carga
negativa próxima, ou;
b3 –
pode-se providenciar um pedaço de fio e, por um breve momento, efetuar a
conexão elétrica do pólo positivo da bateria com a esfera metalizada, fazendo
com que o ponteiro do voltímetro permaneça indicando um valor positivo
qualquer, mesmo após a conexão ser desfeita. Em seguida o corpo, supostamente
carregado negativamente, deve ser aproximado da esfera. Uma redução da
indicação do voltímetro confirmará a carga negativa no corpo sob teste.
c)
Comparando
Cargas Positivas
De posse de
dois corpos com as mesmas dimensões o professor ou seus alunos podem
carregá-los eletricamente e comparar as suas cargas com o auxílio do sensor
eletrônico. Para evitar resultados confusos causados pela distribuição desigual
de carga na superfície de corpos isolantes, recomenda-se que este experimento
seja feito com corpos de superfícies condutivas, devidamente isolados do
contato com a mão do operador. Uma sugestão simples é o uso de duas esferas de
Isopor cobertas com folha de alumínio, espetadas em palitos longos de madeira
seca ou plástico. Após a eletrização das esferas, por contato com corpos
previamente carregados por atrito, a magnitude relativa de suas cargas pode ser
avaliada aproximando-as do sensor, uma de cada vez. A que produzir maior
deflexão, para uma mesma distância da esfera sensora, possuirá carga maior.
Utilizando
esta técnica o professor também poderá demonstrar que a carga se distribui desigualmente
entre esferas de diâmetros diferentes, bastando que utilize esferas de
diâmetros distintos e carregue uma das esferas por contato com a outra. O
Sensor permite discriminação clara entre esferas com diâmetros cuja razão
iguala ou excede 2:1.
d)
Confirmando
a Blindagem Eletrostática da Gaiola de Faraday
Colocando todo o instrumento construído (sensor,
amplificador, bateria, voltímetro, etc) dentro de uma gaiola metálica aterrada,
pode-se trazer corpos carregados até próximo do limite externo da gaiola sem
que o detector indique suas presenças, provando que o campo elétrico é nulo
dentro de condutores em equilíbrio eletrostático. Na verdade, uma simples folha
metálica aterrada, ou tela de arame fino com dimensões tais que permita a
ocultação do sensor, pode ser usada como demonstração de blindagem parcial na
maioria dos experimentos didáticos, se for posicionada corretamente entre a
carga e o instrumento.
e)
Demonstrando
a Distribuição Desigual de Cargas em Superfícies Isolantes
Após carregar positivamente uma régua e aproximá-la do
sensor, que deve indicar um valor de tensão positiva qualquer, a realização de
um movimento deslizante da régua sobre a esfera sensora, ainda que não se
altere a distância entre elas, produz uma variação intensa na indicação do
voltímetro. A grande modificação do potencial induzido mostra que a carga
elétrica sobre a régua não estava uniformemente distribuída sobre sua
superfície.
f)
Verificando
o Campo Elétrico Induzido por Nuvens Carregadas
Em
certos locais, sob condições especiais, a presença próxima de nuvens carregadas
pode ser acusada pelo instrumento detector descrito. É possível detectar campos
elétricos atmosféricos, mesmo dentro de certas construções altas de madeira,
especialmente antes do início das chuvas. Sensores semelhantes são inclusive
utilizados, acoplados a placas de aquisição de dados e computadores, para
estudo e monitoramento de freqüência de raios e relâmpagos.
O
simples fato de haver a detecção de um campo elétrico atmosférico em um dado
local, porém, é uma indicação de que este local provavelmente não é seguro, e
pode ser atingido por raios a qualquer momento. Sob nenhuma hipótese uma pessoa
deve permanecer em campo aberto durante tempestades de raios se puder buscar
abrigo, e também deve afastar-se de árvores, postes, antenas e suas fiações e
fogões a lenha ou lareiras com chaminés metálicas, por exemplo, que podem ser
perigosos em caso de descargas atmosféricas.
g)
Carregando
eletrostaticamente uma ou mais pessoas
Se o professor dispuser de um aparelho receptor de televisão
ou um monitor de computador na sala de aula, poderá carregar eletrostaticamente
um aluno e detectar esta carga com o auxílio do instrumento sensor construído.
Para isto basta solicitar que alguém, que esteja usando calçados secos e limpos
de solado perfeitamente isolante, fique de pé em frente a um televisor
desligado, colocando sua mão espalmada sobre a tela de vidro do aparelho. Em
seguida o professor deve ligar o televisor, mantendo o aluno com a mão no tubo
de imagens até que qualquer imagem apareça. Então o aluno deve tirar a mão do
televisor e se dirigir, sem encostar-se a nada, até às proximidades do aparelho
detector, que deve estar afastado ao menos 5 metros do televisor. Se o calçado
for suficientemente isolante o detector acusará a presença do aluno carregado a
mais de 1 metro de distância. Este método de eletrização também pode ser usado
para diversos outros experimentos interessantes, que o professor poderá
desenvolver.
Se este aluno carregado eletrostaticamente
encostar-se a outro aluno, que também esteja utilizando calçado isolante, sua
carga será dividida com este, o que poderá ser detectado da mesma forma, embora
com menor intensidade. A carga transferida a uma pessoa durante seu contato com
o televisor tende a ser maior em aparelhos maiores, mas bons resultados podem
ser obtidos com receptores de 14 polegadas e alguns monitores de computador.
Experimentos realizados com um grande grupo de pessoas mostrou que raramente um
calçado é suficientemente isolado para produzir resultados perfeitos. Se o
professor tiver dificuldades em manter a carga até que possa ser detectada pode
providenciar um caminho forrado com jornais inteiros bem secos, para que seu
auxiliar ande sobre eles. Em geral esta providência fornece um isolamento
suficiente.
Se o aluno que estiver em contato
com o televisor recém ligado encostar a ponta de seu dedo em outra pessoa,
mantendo uma mão no televisor, poderá se produzir uma pequena faísca entre os
dois, que sentirão um leve choque, semelhante ao contato com a ponta de uma
agulha. Embora as correntes envolvidas sejam reconhecidamente insuficientes
para representar qualquer perigo, é recomendável evitar que pessoas
extremamente sensíveis, ou com problemas de saúde, participem deste
experimento.
Além disso, aparelhos eletrônicos
podem ser danificados por descargas eletrostáticas que venham a ocorrer em seus
componentes semicondutores. Ainda que a maioria dos aparelhos de uso comum seja
protegida por invólucros protetores adequados, memórias e placas para
interfaciamento de computadores são extremamente susceptíveis. Para evitar
acidentes com danos a estes aparelhos, as pessoas envolvidas nos experimentos
de eletrostática não devem manipulá-los sem antes permitir a descarga da carga
acumulada em seu corpo. Esta descarga ocorre naturalmente enquanto a pessoa faz
qualquer atividade, como caminhar, sentar, deitar ou abrir portas, mas para
acelerar o processo as pessoas que participaram da experimentação podem tocar
em objetos aterrados, como esquadrias metálicas ou eletrodutos, ou simplesmente
encostar em torneiras metálicas, ou na água corrente de uma torneira plástica,
devidamente ligadas à rede hidráulica de uma construção qualquer.
Acesso
a Canais de Informação e Orientação
O instrumento detector de cargas
elétricas descrito neste texto foi baseado em conhecimentos de Física e
eletrônica que estão disponíveis em qualquer livro ou revista especializada, e
que fazem parte do currículo de cursos técnicos de eletrônica, graduações em
Engenharia Elétrica e Graduações em Física, não havendo nenhuma literatura
específica que tenha sido consultada para seu desenvolvimento.
Com o intuito de prover fontes
complementares de consulta para os professores ou alunos que desejem ampliar
seus conhecimentos de eletrônica, fundamentando os experimentos que vierem a
desenvolver com seu uso, são referidos abaixo alguns endereços da rede mundial
de computadores que contém material interessante. Para a criação de novos
experimentos pode ser necessário consultar livros didáticos universitários de
Física, também referidos, onde práticas tradicionais são descritas
detalhadamente e podem despertar idéias criativas e sugerir adaptações úteis ao
professor do Ensino Médio.
O professor é convidado a remeter
suas dúvidas sobre a construção ou utilização do instrumento sensor para os
endereços de mensagens eletrônicas dos professores Marcos Salami (msalami@pucrs.br) e João Bernardes da Rocha
Filho (jbrfilho@pucrs.br), que as
responderão individualmente, e também visitar os sites da Faculdade de Física (http://www.pucrs.br/uni/poa/fisica/index.htm),
do Mestrado em Educação em Ciências & Matemática (http://www.pucrs.br/prppg/educem/)
e do Museu de Ciências e Tecnologia da PUCRS (http://www.mct.pucrs.br/).
As seguintes fontes de informação complementares podem ser
úteis ao professor:
a) para obter informações específicas sobre conteúdos de
eletrostática:
HALLIDAY, David; RESNICK,
Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física 3 Eletromagnetismo 4aed. Rio de Janeiro: L.T.C., 1996. 350 p.
b) para obter informações adicionais sobre os transistores de
efeito de campo:
c) para buscar idéias interessantes para outros experimentos
de Física:
NETTO, Luiz Ferraz. Feira de Ciências. Barretos. Disponível
no endereço eletrônico: http://www.feiradeciencias.com.br
d) para saber mais sobre modelos mentais de eletromagnetismo:
BORGES, Tarciso A. Modelos Mentais de Eletromagnetismo. Caderno Catarinense de Ensino de Física,
Florianópolis, v.15, n.1, p. 7-31, abr. 1998.