CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DE UM COULOMBOSCÓPIO DE BAIXO CUSTO - CBC

## CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DE UM COULOMBOSCÓPIO DE BAIXO CUSTO - CBC

## Resumo

Este artigo propõe a construção e a validação de um instrumento eletrônico denominado Coulomboscópio de Baixo Custo (CBC), aliando a simplicidade e o baixo custo, o que o torna mais simples e barato do que aqueles que se encontram no mercado. A construção do CBC passa pelo uso de um transistor de efeito de campo (MOSFET), LED, resistor e bateria de 9,0V, com conexões simples e elementares o que o caracteriza como instrumento de medida de baixo custo. A validação do CBC ocorreu através da comparação entre os resultados da Série Triboelétrica e os experimentos realizados em um ambiente climatizado, comprovando sua efetividade como instrumento de coleta de dados relacionados a conceitos de eletricidade estática. O uso do CBC tende a facilitar a difusão e o acesso a este tipo de instrumento de medidas entre professores do ensino médio e instituições de ensino, sendo ideal para constituir um laboratório de ciências.

Palavras-chave: coulomboscópio, experimento de baixo custo, eletrostática, série triboelétrica.

## Introdução

Este trabalho propõe a construção e validação de um instrumento eletrônico denominado Coulomboscópio, aliando a simplicidade e o baixo custo, o que o torna mais simples e barato do que aqueles que se encontram no mercado. A sua construção tende a facilitar a difusão e o acesso a este tipo de instrumento de medida entre professores do ensino médio e instituições de ensino, sendo ideal para ser usado em aulas de Física, Química e Ciências.

Muitos são os relatos de pessoas que recebem um choque ao sair do carro e encosta na lataria, ou quando estão chegando em casa e pegam num portão de metal. Esse fenômeno é conhecido como Eletrostática. A Eletrostática, segundo Roditi (2005,76), é o 'Ramo da Física que investiga as propriedades e o comportamento dos campos elétricos de cargas elétricas ou fontes de cargas estacionárias', ou seja, ela se ocupa das propriedades das cargas elétricas em repouso.

Um dos fenômenos eletrostáticos mais antigo conhecido é o que ocorre com o âmbar amarelo no momento em que recebe o atrito e atrai corpos leves. Tales de Mileto, no século VII a.C., já conhecia o fenômeno e procurava descrever o efeito da eletrostática no âmbar. Também os indianos da antiguidade aqueciam certos cristais que atraíam cinzas quentes, atribuindo ao fenômeno causas sobrenaturais. O fenômeno, porém, permaneceu através dos tempos apenas como curiosidade.

No século XVI William Gilbert (1544-1603) utilizou a palavra 'eletricidade', a qual deriva da palavra grega 'elektron', que era o nome que os gregos davam ao âmbar.

Gilbert reconheceu que a propriedade eletrostática não era restrita ao âmbar amarelo, mas que diversas outras substâncias também o manifestavam, tais como diversas resinas, vidros, enxofre, entre outros compostos sólidos. Através do fenômeno da eletrostática nos sólidos observou-se a propriedade dos materiais isolantes e condutores.

Otto Von Guericke (1602-1686) inventou o primeiro dispositivo gerador de eletricidade estática, que era constituído de uma esfera giratória composta de enxofre com o qual foi conseguida a primeira centelha elétrica através de máquinas.

A partir de 1933, Robert J. Van de Graaff (1901-1967) construiu as primeiras máquinas eletrostáticas modernas, que produzem diferenças de potencial de vários milhões de volts, usadas para acelerar partículas. (HALLIDAY, RESNICK e WALKER, 2012).

Assim, o aparato experimental proposto nesse trabalho (Coulomboscópio de baixo custo) caracteriza-se por ser um instrumento utilizado para indicar a presença do campo elétrico e o sinal da carga elétrica que se encontra em excesso em corpos eletrizados por atrito, contato ou indução. Este tipo de equipamento é adequado para ser usado nas escolas para confirmação da série triboelétrica, da lei de Coulomb e nas aulas de Química Analítica para verificar a quantidade de matéria transformada em uma reação de eletrólise, entre outros espaços. Ele consiste basicamente de um MOSFET, resistores, LED's e uma bateria de 9,0 V.

## O Transistor MOSFET

O MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor ou Transistor de Efeito de Campo de óxido de Metal Semicondutor) é um transistor de efeito de campo (CIPELLI e SANDRINI, 2001). Quando um campo elétrico se aproxima da sua antena, ocorre o fechamento do circuito elétrico que aciona o brilho do LED, dependendo da distância e do sinal do corpo eletrizado. Durante a construção do Coulomboscópio sugerido neste trabalho podem ser explorados conhecimentos relacionados a unidades de medidas, lei de Coulomb, processos de eletrização, semicondutores e Física Moderna, podendo ser útil também em trabalhos e projetos interdisciplinares. Existem vários tipos de Coulombímetros disponíveis, variando basicamente no modo de leitura, podendo ser analógicos ou digitais, sendo que os digitais geralmente apresentam maior facilidade e precisão de leitura. Desta forma, optou-se neste trabalho por construir um Coulomboscópio de baixo custo, tendo por base um MOSFET do tipo NPN e outro do tipo PNP (Fig. 1).

Figura 1 : MOSFET do tipo NPN em (a) e PNP em (b). Fonte: acervo dos autores

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Os MOSFETs são transistores de efeito de campo que, diferentemente de

transistores comuns, funciona como um comutador controlado por tensão. Um transistor de efeito de campo atua como elemento resistivo controlado por diferença de potencial (BOYLESTAD e NASHELSKY, 1998). O MOSFET pode ser do tipo NPN ou PNP. O transistor do tipo N interage com o campo elétrico gerado por cargas positivas do objeto eletrizado (VG) através do gate (para esse projeto será usado como antena) e fecha um contato entre o source (entrada de potencial) e o

drain (saída para o LED), designado como a diferença de potencial VDS. Já o transistor do tipo P interage com o campo elétrico gerado por cargas negativas do objeto eletrizado através do Gate e fecha o contato entre o source e o drain (Figuras 2 e 3).

Figura 2 - MOSFET. Fonte: acervo dos autores.

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Figura 3 : MOSFET com indicação do campo elétrico em seus terminais. Fonte: acervo dos autores.

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A figura 3 possibilita a seguinte interpretação: quando um campo elétrico gerado por cargas positivas se aproximar do gate (porta) de um MOSFET tipo N, ocorrerá uma atração entre os elétrons que estão mais acima no gate e os prótons em excesso no objeto eletrizado ocasionando um fechamento no circuito entre os pontos de source (fonte) e drain (drenagem), estabelecendo uma Diferença de Potencial (DDP) capaz de acionar o LED.

Em um MOSFET tipo P, quando um campo elétrico externo gerado por cargas negativas se aproximar do gate , ocorrerá uma atração entre os elétrons no objeto externo e os prótons mais acima no gate , estabelecendo uma DDP entre o source e o drain , acionando o LED.

A figura 4 descreve o comportamento do MOSFET tipo N quando se aproxima do gate um campo elétrico externo gerado por cargas positivas.

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Figura 4 : MOSFET tipo N interagindo com campo elétrico externo. Fonte: acervo dos autores.

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Construindo o Coulomboscópio de baixo custo - CBC

A construção do Coulomboscópio sugerido neste trabalho (CBC) é bastante simples, sendo necessários os materiais mostrados na Fig. 5, ou seja, um MOSFET que será usado como uma chave, sendo responsável por caracterizar a interação entre o campo elétrico do objeto eletrizado e o LED, cabos de fios para se efetuar as conexões, um LED vermelho para indicação de campo elétrico positivo ou um LED verde para indicação de campo elétrico negativo, uma bateria de 9,0V com conector e um resistor de 680 Ω .

Figura 5 : Materiais necessários para a construção do Coulomboscópio. Fonte: acervo dos autores.

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A construção do CBC, com os componentes listados na figura 5, tem custo em torno de R$14,90.

Tabela 1 : Preço médio dos componentes.

O tipo do MOSFET a ser usado (tipo N ou tipo P), bem como a identificação de seus terminais pode ser acessado em: https://www.youtube.com/watch?v=45EF7vrlXW4 acesso em 11 ago. 2016.

A montagem do CBC para detecção do campo elétrico e seu esquema encontra-se nas figuras 6 e 7.

Figura 6 : CBC para detecção de campo elétrico gerado por cargas positivas. Fonte: acervo dos autores.

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Figura 7: CBC para detecção de campo elétrico gerado por cargas negativas. Fonte: acervo dos autores.

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A chave utilizada nos dois projetos indicado pelas figuras 6 e 7 é opcional pois sua função é neutralizar o campo elétrico que fica em excesso no MOSFET quando o corpo eletrizado toca a antena. Para essa função basta tocarmos com os dedos, concomitantemente o gate e o source .

Figura 8: CBC para detecção de campo elétrico gerado por cargas Positivas (LED vermelho) e campo elétrico gerado por cargas Negativas (LED verde). Fonte: acervo dos autores.

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## Validando o CBC

Para validar o CBC, utilizou-se uma tabela da série Triboelétrica.

As tabelas da Série Triboelétrica possuem alguns materiais que, após entrarem em contato com outros, ficam eletrizados. Esse efeito é conhecido como efeito triboelétrico e é aumentado quando os materiais são esfregados um contra o outro.

A série Triboelétrica é uma lista de materiais que mostra a tendência relativa de ceder ou receber elétrons no processo de eletrização. Um material que aparece no topo da lista fica com carga positiva quando atritado com um material que está listado abaixo dele. No entanto, esse ordenamento não é reprodutível e depende da umidade, da limpeza da superfície e do processo de fabricação dos materiais.

Tabela 02: Série Triboelétrica. Fonte: RECHES e SNYDER, 2009.

Para validar o CBC, partimos da série triboelétrica acima e construímos a tabela abaixo:

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Tabela 03: Validação do CBC. Fonte: resultados obtidos pelos autores.

Constata-se, pelas imagens que se encontram na tabela 3, que todos os resultados dos processos de eletrização que ocorreram por atrito condizem com os resultados certificados na Série Triboelétrica da tabela 2.

Sugestões de atividades que podem ser exploradas utilizando o CBC

Com a inclusão da Física Moderna no currículo do ensino médio e sendo o transistor tão relevante na atualidade, este trabalho propõe um experimento complementar ao estudo do campo elétrico e da eletrização dos corpos, utilizando materiais de baixo custo.

A proposta possibilita várias discussões acerca da corrente elétrica, da DDP, do campo elétrico gerado por processos de eletrização, carga elétrica, carga de prova, bem como da Física Moderna.

Em se tratando de Física Moderna pode-se destacar além do funcionamento dos componentes eletrônicos do CBC, a comprovação do Efeito Fotoelétrico. Quando o material eletrizado com carga elétrica negativa toca a antena do CBC (MOSFET tipo N), o LED verde permanece aceso demonstrando que o Coulomboscópio ficou eletrizado. Ao se incidir radiação eletromagnética de frequência apropriada (ultravioleta) sobre a antena do CBC o brilho do LED diminui assinalando uma redução da intensidade do campo elétrico acumulado no CBC, isso ocorre devido à emissão de elétrons causada pelo efeito fotoelétrico, confirmando que a carga elétrica em excesso no CBC era negativa.

- O CBC como sistema de coleta de dados possui diversas aplicações, merecendo destaque o seu uso juntamente com alguns aparelhos, como por exemplo o eletroscópio de folhas, gaiola de Faraday e gerador de Van de Graaff.
- O aparato experimental proposto possibilita que o aluno diante de uma situação física seja capaz de identificar parâmetros relevantes e quantifique grandezas, relacionando-as. Ainda em relação à Física Moderna, muitos dos seus aspectos são indispensáveis para que os alunos desenvolvam uma compreensão mais abrangente sobre como se constitui a matéria, de forma a terem contato com diferentes e novos materiais presentes nos utensílios domésticos e tecnológicos e utilizados no desenvolvimento da eletrônica, dos circuitos integrados e dos microprocessadores. Entretanto, é indispensável ir além, aprendendo a identificar, lidar e reconhecer os conceitos elétricos e seus diferentes usos, o que pode ser feito por meio do uso do CBC, que possibilita o estudo da carga elétrica, dos isolantes e do campo elétrico constituindo um tema capaz de proporcionar condições favoráveis à organização das competências relacionadas com a compreensão do mundo material microscópico (ARAUJO e ABIBI, 2003).

## Considerações finais

Uma boa compreensão das características mensuráveis da eletrização e do campo elétrico e a utilização de instrumentos que facilitam estas medidas utilizandose de materiais de baixo custo e fácil aquisição podem proporcionar importantes aprendizagens conceituais no que diz respeito à lei de Coulomb bem como de suas aplicações. A utilização do CBC pode representar uma alternativa inovadora à prática pedagógica do professor, auxiliando na motivação do estudante no processo educacional e possibilitando aprimorar a sua aprendizagem. Além disso, possibilita a utilização de conceitos da Física em uma situação real, o que não acontece na maioria das situações propostas no atual ensino desta área de conhecimento.

- O CBC pode ser usado ainda como recurso didático alternativo, na descoberta do sinal do corpo eletrizado e dos processos de eletrização sem, no entanto, desprezar os instrumentos profissionais, mas correspondendo a uma alternativa mais barata e acessível, o que facilita largamente o seu uso na maioria

das escolas brasileiras, onde normalmente são escassos os recursos e materiais de apoio à atividade pedagógica dos professores.

## Referências

ARAÚJO, M.S.T.; ABIB, M.L.V.S. Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 25, n. 2: p.176-194, 2003.

BOYLESTAD, R. L. ; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1998.

CIPELLI, A. M. V. ; SANDRINI, W. J. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos eletrônicos. 18.ed. São Paulo: Érica, 2001.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R. ; WALKER, J. Fundamentos de Física 3 : Eletromagnetismo (Editora LTC, Rio de Janeiro, 2016), v. 3. 10ª ed., 432 p.

RECHES, M., SNYDER, P.W. Folding of Electrostatically Charged Beads-on-aString: An Experimental Realization of a Theoretical Model, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2009.

RODITI, I. Dicionário Houaiss de Física. Rio de Janeiro: Objetiva, 2005.