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:

 

http://eletric.cjb.net/ style='color:blue'>

 

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.