Esta é uma estória original de John T. Frye de 1973 em sua série Mac’s Service Shop que, como já indiquei nas Aventuras do Professor Ventra, Beto e Cleo que me inspirou na criação dos personagens. Fizemos uma tradução livre, mas o leitor pode acessar o original em inglês no nosso site em VENT015E.
Na manhã fria e cintilante de inverno, com os dedos enrijecidos Barney correu de seu carro, sobre a neve rangente, até a oficina. Lá ele encontrou Mac, seu empregador, sentado em numa bancada com uma parafernália estranhamente variada: uma escova de dentes de cabo vermelho, uma haste de vidro de 25 centímetros de comprimento, um quadrado de tecido de lã marrom áspero e outro de seda rosa, alguns de suportes de arame de cabide em forma de lâmpadas e pequenas bolas brancas do tamanho de ervilhas suspensas por fios de seda nas pontas de seus braços horizontais além de um contêiner redondo de estanho decorado alegremente.
"Ok, eu desisto", disse Barney após um exame intrigado desses objetos. "O que diabos você está fazendo?"
"No jargão da época, estou tentando 'juntar tudo'", respondeu Mac com um sorriso provocador. "Estou voltando para onde nossa linha de trabalho realmente começou quando Tales de Mileto, por volta de 600 aC, observou que um pedaço de âmbar atritado, chamado" elektron "em grego, atraiu pedaços de matéria. Todos os milhões de usos da eletricidade e a eletrônica em nossa civilização moderna pode ser rastreado a partir daquela observação casual de carga eletrostática, ou triboelétrica. Decidindo que uma revisão dos princípios eletrostáticos básicos não me faria mal, peguei alguns livros da biblioteca, fiz aquelas bolinhas de caroço arrancadas do centro dos galhos cortados de árvores do paraíso, ou árvores fedorentas, crescendo em meu quintal, fiz um eletroscópio de folha simples naquela lata de doces usando papel alumínio de embalagem de chiclete. Invoquei o espírito de Ben Franklin e comecei a experimentar, tentando explicar tudo o que vi acontecer em termos do que sei sobre a teoria do elétron. Nunca antes senti tanto prazer instigante com um aparelho tão simples e feito em casa. "
O eletroscópio de folha é feito de uma lata de doces redonda de 5 "de diâmetro com o fundo cortado. Um pequeno isolador de passagem de porcelana passa por um orifício em um lado da lata, e um tubo de latão com rosca interna é aparafusado no fundo extremidade do isolador. A extremidade inferior deste tubo de pequeno diâmetro é dividida, e duas folhas de folha de 1/4 "por 2" têm suas extremidades presas na divisão. Usei uma folha de metal fina de goma de mascar. e bati uniformemente para afinar mais ainda. Folha de ouro, obtida de um pintor de sinalização, teria sido melhor. O envoltório de plástico é esticado sobre as duas extremidades da lata para permitir que as folhas sejam vistas, protegendo-as das correntes de ar. Uma bola de latão pode substituir a arruela de metal em topo do isolador. Quando uma carga é transferida para arruela, seja por contato com um objeto carregado ou por indução, as cargas passam para as folhas fazendo com que elas se afastem. Elas então voltam a posição normal quando a carga é retirada.
"Ah, eu fiz todas aquelas coisas na física do colégio," Barney zombou. "Experimentos eletrostáticos são interessantes, mas de pouco valor prático, exceto para explicar como funcionam os para-raios."
"Como é fácil ser tão convencido - e tão errado - quando você é jovem!" Mac ficou maravilhado. "Você aprendeu que, em um dia claro e brilhante de inverno como este, a carga eletrostática descendente na atmosfera pode carregar até 500 volts por metro vertical?"
"Não acredito," Barney respondeu prontamente. "Isso significaria que haveria quase 1.000 volts da minha cabeça aos pés. Isso me eletrocutaria."
"Não. Você constitui um condutor aterrado, e sua pele é uma superfície equipotencial que deforma o campo elétrico e o torna inconsciente dele, mesmo quando uma nuvem de tempestade se move acima e inverte a polaridade do campo e aumenta o potencial em até 10.000 volts / metro. "
"É quando o raio cai," Barney interrompeu.
"Não é tão simples. Você precisa de 300 vezes essa tensão, ou 30.000 volts / cm, para quebrar a resistência do ar. Na verdade, uma descarga 'líder' se desenvolve gradativamente dentro da nuvem e atinge o solo; então, há uma descarga principal para cima ao longo o caminho ionizado do líder contendo dezenas de milhares de amperes. A propósito, eles falaram sobre raios terremotos na sua aula de física? "
"Não. Não acreditávamos em catástrofes compostas."
"Aparentemente, a natureza sim. Flashes de luz no céu costumam acompanhar terremotos. Durante o terremoto japonês de 1930, cerca de 1.500 desses flashes foram registrados. Essa área do terremoto é caracterizada por lava rica em quartzo e foi sugerido que, com o tipo certo de ordem cristalina e o tipo certo de ondas sísmicas, milhões de volts de carga eletrostática podem ser gerados pelo movimento da formação rochosa da Terra por meio do efeito piezoelétrico - o mesmo efeito que produz a tensão fraca através da saída de um cartucho fonográfico de cristal quando o estilete vibra na ranhura do registro. Talvez, se houver áreas com quartzo ao longo da falha de San Andreas, estações para monitoramento contínuo do campo elétrico atmosférico possam ser instaladas e seus registros correlacionados com tremores de solo. Se eles coincidirem, isso pode levar a um sistema de alerta precoce de terremoto. "
Nota: temos um artigo no site que fala disso. Barulhos no Céu (MA146) trata desse fenômeno
"Você ainda não me mostrou a eletricidade eletrostática na prática."
Aplicações práticas. Antes de responder, Mac esfregou a alça da escova de dentes com o pano de lã e segurou a alça perto de uma das bolas de miolo. A bola foi atraída para a alça e agarrou-se a ela por alguns segundos e então saltou violentamente para longe e balançou até um painel de medidor de metal e se agarrou a ele.
“Isso deveria sugerir um uso muito prático: um precipitador para remover cinzas e poluentes do ar e outras partículas líquidas e sólidas dos gases de combustão”, disse ele. "Tudo o que precisamos fazer é colocar uma carga eletrostática nas partículas, como eu coloco na bola, e submetê-las a um campo para que se movam em direção a uma superfície neutra ou com carga oposta. Na prática, isso pode ser feito passando um fio fino, carregando um potencial negativo de 100.000 volts, no centro de um duto cilíndrico de 20 cm de diâmetro. A carga produz uma intensidade de campo radial média de 10.000 volts / cm, mas a intensidade do campo é muito menor perto da parede do duto e muito mais perto do fio. Na verdade, nas imediações do fio, está muito acima dos 30.000 volts / cm que mencionei como sendo necessários para quebrar a resistência do ar. Isso resulta em uma descarga corona, ou zona de ionização, ao redor do fio. Os elétrons que saem do fio se ligam às moléculas de oxigênio do ar, convertendo-os em íons negativos que são repelidos pelo fio, de modo que se movem para fora em direção à parede do duto aterrado em uma verdadeira corrente iônica.
Nota: veja o artigo Filtros Eletrostáticos – Mantendo ambientes limpos (MA142)
"Se um gás de combustão carregado com partículas de resíduos flui pelo duto com uma velocidade de menos de três metros por segundo, a corrente iônica carrega as partículas e faz com que elas se movam aos bilhões ao longo do fluxo de gás para serem coletadas nas paredes do duto. Se as partículas estiverem secas, o duto é batido para que as cinzas caiam e sejam coletadas em um funil. As partículas líquidas simplesmente escorrem pelas paredes do duto. Os precipitadores industriais operam com uma carga negativa, enquanto os purificadores de ar domésticos usam uma carga positiva. Estima-se esses dispositivos retêm mais de 20 milhões de toneladas de cinzas volantes por ano. Eu diria que isso é um uso prático. "
"Então, talvez haja um uso prático", admitiu Barney.
"Há muito mais. O princípio da descarga corona também é usado para separar misturas granulares nas quais os dois tipos de partículas diferem em condutividade, então uma pode ser chamada de condutor e a outra de isolante. Lembre-se de que a condutividade é sempre um termo relativo. Em uma forma, a mistura desce de uma tremonha e se espalha em uma camada fina sobre um tambor giratório aterrado. O tambor passa sob um fio, gerando uma descarga de corona. Os íons passam pela mistura para o tambor. Eles passam pelas partículas condutoras ao tambor e não há adesão; portanto, essas partículas simplesmente caem na caixa nº 1 conforme o tambor gira. As cargas de íons que atingem as partículas isolantes ficam nas superfícies com uma carga que as prende ao tambor de metal enquanto ele se move após a caixa nº 1, e eles são raspados na caixa nº 2. Este tipo de separador é usado extensivamente para separar minério de ferro, mas também é usado para remover excrementos de roedores do arroz, extrair sementes de alho do trigo e separar e carnes de nozes de cascas.
"No manuseio de folhas de papel ou filme em movimento contínuo, uma superfície das quais é revestida com uma substância pegajosa, a 'teia' pode ser fixada à superfície de um único rolo para fornecer tensão, carregando a superfície externa com íons fornecidos por uma descarga corona.
"Ainda outro uso importante da descarga de corona é o eletrorrevestimento, um processo usado para aplicar vários revestimentos, como tinta úmida, partículas de areia, pós secos e até fibras curtas. Uma pistola de pulverização equipada com uma ponta de corona emite uma névoa fina de partículas de tinta que seguem as linhas de campo formando íons de corona, adquirindo assim uma carga. As partículas carregadas são tão fortemente atraídas para o alvo aterrado que elas realmente se fixando em torno dele e cobrindo as laterais e a superfície posterior. Estima-se a economia de tinta só com o eletrocoating chega a US $ 50 milhões por ano.
"Flocagem é uma variação do eletrorrevestimento. Se você quer uma parede de veludo, primeiro a pinta com tinta de alumínio condutora na qual é aplicado um adesivo. Em seguida, você enche uma tremonha com fibras curtas e agita-a na frente da parede. Quando as fibras caem, eles são carregadas por pontos de corona montados na tremonha, e então três coisas acontecem: (1) as fibras são impulsionadas em direção à parede pela força de repulsão de Coulomb de cargas semelhantes, (2) a repulsão mútua de cargas semelhantes nas fibras as mantém separadas e (3) as fibras se alinham com as linhas de força para que cheguem ao adesivo, permitindo a aplicação de mais de 200.000 fibras por polegada quadrada. Esse processo é usado para fazer camurça artificial. Cubra o interior das caixas dos instrumentos ou empilhe o carpete. Um processo semelhante é usado no negócio de abrasivos revestidos de US $ 200 milhões por ano, como lixa e abrasivos. "
"Tudo bem! Estou convencido. A eletricidade eletrostática é mais do que um brinquedo", admitiu Barney.
"Há mais", disse Mac. “Vamos falar sobre o processo de imagem de cópia seca conhecido como xerografia. A operação de uma máquina Xerox depende do fato de que uma placa coberta de selênio pode ser carregada por uma descarga de corona e, em seguida, a carga pode ser removida pela exposição à luz. Na operação real, um tambor revestido de selênio é carregado no escuro de uma corona e, em seguida, uma imagem da página a ser copiada é focada no tambor. A carga é removida nas áreas claras, mas retida nas áreas escuras. 'toner', uma mistura de poeira preta e pequenas esferas de vidro (toner), é espalhada sobre a imagem. O vidro com carga oposta e a poeira se unem até que a mistura atinja a imagem; então, o vidro é repelido e a poeira se fixa nas áreas escuras.
"Agora o papel que foi carregado é espalhado sobre a imagem do cilindro e atrai o toner para si. Finalmente, esse papel passa por um estágio de aquecimento rápido que funde o toner e com isso faz uma cópia permanente. Esta é uma explicação simplificada, claro, mas tenho certeza de que você vai entender. "
"A propósito, onde você aprendeu tudo isso, afinal?"
"De vários livros e artigos de revistas. Uma das melhores fontes foi o trabalho de AD Moore, professor emérito de engenharia elétrica na Universidade de Michigan. Dois de seus livros são Eletrostática e Invenção, Descoberta e Criatividade. Ele estava trabalhando em outro que pode ser publicado nesta época chamado Electrostatics and its Applications. Em um artigo na edição de março de 1972 da Scientific American, ele aponta que Ben Franklin inventou o primeiro motor elétrico, um motor eletrostático; tipo de motor que foi revivido recentemente, principalmente por Oleg Jefimenko, da West Virginia University. Um de seus motores corona com cerca de cinco polegadas de comprimento desenvolveu um décimo de cavalo-vapor. Recentemente, ele instalou um fio num balão e acionou um de seus motores com o campo elétrico da atmosfera. "
"Isso basta!" Barney exclamou. "Vou para casa hoje à noite e desenterrar meus livros de física. Que tal pegar emprestado esses brinquedos - com licença, esse aparelho - seus?
"Com mucho gusto", Mac respondeu, sorrindo. "Essa foi a ideia toda. Você vai se divertir e, como bônus, garanto que será muito mais fácil entender a eletrônica de estado sólido depois de revisar sua eletricidade estática."
Nota: em nossos artigos no site, além de termos muitos artigos com experimentos e teorias que tratam da eletricidade estática, também ressaltamos a necessidade de se conhecer os fundamentos da eletricidade dos tempos antigos para entender a eletrônica moderna. E, cada vez mais temos novos dispositivos eletrônicos que se baseiam em eletricidade estática para funcionar, bastando citar como exemplo os transistores de efeito de campo.
