Todos os seres 'vivos são sensíveis à eletricidade. Pequenas tensões são detectadas nas células nervosas e podem excitá-las; micro-organismos reagem às correntes elétricas movendo-se de um polo a outro de uma bateria; tensões intermediárias excitam nervos e provocam contrações musculares; tensões elevadas são percebidas por plantas e outros organismos vivos, mesmo à distância.
O pesquisador que trabalha no laboratório de biologia não pode, de modo algum, deixar de possuir um excitador eletrônico para suas experiências.
Os diversos recursos do excitador que descrevemos são ideais para os pesquisadores de todas as áreas de bioeletricidade.
Galvanismo é o nome dado à eletricidade animal, ou a ação da eletricidade sobre os organismos vivos. Descoberta a mais de um século, a ação da eletricidade sobre os organismos vivos hoje se constitui num dos ramos mais promissores da pesquisa biológica.
De fato, não só organismos vivos podem gerar pequenas correntes elétricas como também são sensíveis a elas, revelando nestas condições comportamentos algumas vezes inesperados.
Assim, temos o eletrotropismo que é a tendência de certos organismos se aproximarem dos polos de uma bateria, ou se afastarem, conforme sua natureza.
Temos a excitação de nervos e músculos pela ação de tensões elevadas (ou mesmo baixas) na verificação de reações de organismos animais.
Temos no campo vegetal, estranhos comportamentos das plantas, manifestados quando elas são submetidas à excitação elétrica ou mesmo à simples presença de campos elétricos (figura 1).
Já foi publicado que certas plantas podem ter seu crescimento acelerado ou então podem produzir frutos maiores quando sujeitas a ação de campos elétricos.
A condução da eletricidade pela água natural possibilita a realização de experiências interessantes com peixes, os quais podem manifestar comportamentos imprevisíveis quando submetidos a ação dessas correntes ou de campos. (figura 2)
Enfim, um universo de experiências no campo vegetal e animal se abre ao pesquisador interessado, e que possua um aparelho próprio.
O que descrevemos neste artigo é um "Bio Excitador", um aparelho que funciona com pilhas comuns e que produz tensões tanto pulsantes (alternadas) como continuas na faixa de 0 a 360 V sob corrente muito fraca, ideal para a pesquisa.
A baixa corrente obtida torna-o bastante seguro, podendo inclusive ser usado na excitação de nervos diretamente em pessoas.
O aparelho possui além de um controle de intensidade para a tensão aplicada no organismo estudado, controles adicionais de frequência e de tipo de excitação, com as seguintes possibilidades:
Tensão alternante pura com forma de onda aproximadamente senoidal numa faixa de frequência entre aproximadamente 100 Hz e 500 Hz.
- Tensão continua pulsante na mesma faixa de frequência acima.
- Tensão continua pura. (figura 3)
A alimentação do aparelho, feita com 2 ou 4 pilhas médias ou grandes, possibilita o uso portátil do aparelho, o que facilita muito o biólogo que trabalha em campo aberto.
Simples de montar, não exige conhecimento de eletrônica em níveis elevados, o que significa que mesmo os próprios biólogos poderão montá-lo.
COMO FUNCIONA
Na figura 4 damos a estrutura em blocos do Bio Excitador.
Para converter uma baixa tensão, de 3 ou 6V de pilhas, em alta tensão contínua ou alternante precisamos de um transformador, um inversor e um retificador.
O inversor permite alterar a tensão continua das pilhas em alternada, pois os transformadores só podem trabalhar com este tipo de alimentação. Os transformadores que elevam as tensões não podem funcionar diretamente com as tensões continuas das pilhas.
O transformador faz a elevação da tensão, que passa do valor baixo das pilhas para perto de 350 V ou mais.
O inversor e o transformador tem o circuito básico mostrado na figura 5.
Trata-se de um oscilador em contrafase, ou seja, um circuito em que os dois transistores conduzem alternadamente a corrente, numa velocidade (frequência) que depende do capacitor C e do ajuste do resistor variável P1.
No potenciômetro P1 usado como ajuste (resistor variável) podemos escolher a frequência da tensão alternante a ser usada na experiência. Com os componentes escolhidos podemos ter sinais na faixa de frequências que vai de aproximadamente 100 Hz até perto de 5000 Hz.
O transformador usado no inversor é do tipo de alimentação que em sua função normal reduz 110 V ou 220 V da rede para 6 V sob correntes de até 150 mA. No nosso caso, este transformador é usado ao contrário' aumentando então a tensão oscilante dos transistores.
Como as oscilações têm características diferentes da rede local, mesmo com alimentação de apenas 3 ou 6 V, obtemos no secundário do transformador uma tensão maior que 220 V. Em alguns casos esta tensão pode chegar a 360 V.
Na saída do transformador temos um terceiro circuito: a finalidade deste circuito é modificar a corrente obtida e também regular sua intensidade.
Para regular a intensidade temos um potenciômetro (P2) que opera como divisor de tensão. Nele podemos ajustar a tensão entre 0 e o máximo que também depende da frequência.
O circuito de modificação da corrente consta de uma chave, um diodo e um capacitor. (figura 6)
Numa posição, a tensão do transformador vai diretamente para o potenciômetro de controle de intensidade, caso em que temos tensão alternada na sa ida.
Em outra posição, o diodo é ligado ao circuito sozinho, fazendo a retificação da corrente, caso em que temos uma tensão continua pulsante na saída.
Finalmente, a terceira possibilidade consiste na ligação de um capacitor de filtro após o diodo, quando então temos uma tensão continua pura na saída. Os valores máximos ou de pico, em cada caso, variam um pouco ficando, entretanto, na faixa dos 100 aos 360 V.
Veja que a corrente obtida no transformador sob alta tensão é relativamente baixa. Se bem que ela cause choques de boa intensidade quando em circulação por uma pessoa, o perigo de acidentes mais graves é reduzido.
Acrescente-se ao circuito indicado uma lâmpada neon, do tipo que acende com uma tensão mínima de 80 V, que serve para indicar o funcionamento do aparelho. Esta lâmpada consome um mínimo de corrente e seu acendimento indica que pelo menos 80 V estão sendo obtidos na sa ida do aparelho.
OS COMPONENTES
Os componentes usados nesta montagem são comuns, do mesmo tipo que encontramos em qualquer aparelho eletrônico, tais como rádios, amplificadores, televisores, etc. O leitor pode tanto comprar estes componentes nas casas especializadas como pode, inclusive, aproveitar alguma coisa de velhos aparelhos inutilizados que possua.
A caixa é o elemento ”mecânico" mais importante da montagem.
Nossa sugestão é mostrada na figura 7. Uma caixa de madeira ou plástico, com as dimensões indicadas, facilita o uso e o transporte.
Para uma versão simplificada o montador pode usar uma simples tábua como base para os componentes, eliminando assim a caixa.
Os “eletrodos" ou pontas de prova dependerão da maneira como as excitações elétricas devem ser aplicadas ao espécime em prova.
Algumas sugestões são dadas.
Com relação aos componentes eletrônicos precisamos fazer algumas observações quanto à obtenção.
Começamos pelos transistores. Os tipos originalmente experimentados foram os BD135, cujos equivalentes mais próximos são os BD137 e 80139. Entretanto, tipos como o TIP29, TlP31 ou qualquer NPN de silício para 1A ou mais devem funcionar. Apenas no caso destes últimos, a disposição dos terminais pode ser diferente. Será preciso observar isso na montagem.
O diodo usado deve suportar uma tensão de pico de pelo menos 600 V. Escolhemos o 1N4007 ou BY127 que, mesmo sendo para correntes muito mais intensas do que a que teremos neste caso, tem sua presença justificada pelo baixo custo e facilidade de obtenção.
A lâmpada neon é do tipo comum sem resistor interno, ou seja, do tipo simples.
O transformador tem um enrolamento primário de 110 V e 220 V (será usado apenas o de 220 V) e secundário de 6 + 6 V x 250 mA ou corrente próxima disso. O 6 + 6 indica que o enrolamento de baixa tensão é duplo, ou seja, possui uma tomada central.
Os potenciômetros não oferecem dificuldades de obtenção. P1 é duplo com duas seções do mesmo valor, no caso 47k. Em caso de dificuldade para obter este valor, o leitor pode experimentar um duplo de 100 k. Neste caso, entretanto, a faixa de frequências de operação ficará um pouco alterada com um "pedaço" sem atuação ou de baixo rendimento. No restante, o funcionamento do aparelho será quase normal. P2 é comum.
Temos dois tipos de capacitores: Cl deve ser eletrolítico com pelo menos 12 V de tensão de trabalho. Recomendamos 16 V na lista por ser este um valor padronizado, fácil de encontrar. Os demais capacitores podem ser tanto cerâmicos como de poliéster. Atenção deve ser dada a C5, que precisa ter uma tensão de trabalho de pelo menos 450 V. O valor indicado com tensão de 450 V tem por representante mais comum o tipo de poliéster metalizado.
S1 e S2 são interruptores simples que podem ser de qualquer tipo, conforme a aparência desejada para o aparelho. S3 é uma chave de 1 polo x 2 posições. Pode-se comprar diretamente uma chave deste tipo, ou na sua falta uma de 2 polos x 2 posições e deixar metade dela sem ligações. O funcionamento será normal também.
Para a ligação dos eletrodos ou pontas de prova, recomendamos a utilização de um par de bornes isolados. Um deve ser vermelho e o outro preto, para podermos diferenciar a polaridade dos sinais, no caso da ligação em tensão contínua pura ou pulsante.
O montador precisará ainda de um suporte de 2 ou 4 pilhas, conforme sua versão. Este suporte deve ser do tipo para pilhas médias ou grandes, já que o consumo de corrente, relativamente alto na posição de máximo dos controles, impede o uso de pilhas pequenas.
Ponte de terminais, botões plásticos para os potenciômetros, fios, parafusos e porcas completam o material necessário à elaboração do aparelho.
MONTAGEM
Para a elaboração da caixa o leitor precisará de um tipo de ferramentas. Para os trabalhos eletrônicos, evidentemente, as ferramentas serão outras. Um ferro de soldar de pequena potência (máximo 30W), alicate de corte lateral, alicate de ponta fina e chaves de fendas são as que recomendamos.
Na figura 8 temos o circuito completo do Bio Excitador, em que os componentes são representados pelos seus símbolos e levam seus valores. Os leitores que se iniciam em eletrônica devem procurar familiarizar-se com a simbologia adotada que é bem diferente do aspecto “real" das peças.
Na figura 9 temos a nossa sugestão de montagem em placa de circuito impresso que permite uma concentração maior dos componentes e que facilita até a redução da caixa.
Esta versão, entretanto, exige mais habilidade do montador e, principalmente, os recursos para a confecção desta placa. Estes recursos são obtidos num "laboratório de circuito impresso" que pode ser adquirido na forma de kit em casas especializadas.
Para os menos habilidosos e de menos recursos, temos a versão em ponte de terminais que é mostrada na figura 10.
Esta versão ocupa mais espaço e não exige ferramentas especiais sendo, portanto, ideal para o iniciante menos habilidoso.
Os principais cuidados que devem ser tomados com a montagem, assim como a sequência de operações para sua execução, são dados a seguir:
a) Comece soldando os transistores. Veja que na versão em ponte de terminais eles têm posições certas para colocação e estas são diferentes, ou seja, enquanto um fica com a parte de metal voltada para cima, o outro fica com ela voltada para baixo. Observe as posições também na placa de circuito impresso. Solde os seus terminais rapidamente para que o calor não lhes cause dano.
b) Solde os capacitores C1, C2, C3 e C4 na primeira ponte e todos na placa de circuito, impresso. Observe sua posição e principalmente seu .valor. Solde o capacitor C5 na segunda ponte. Veja que C1 tem polaridade certa para ligação. Seja rápido na soldagem, pois estes componentes são sensíveis ao calor.
c) Solde todos os resistores. Seus valores são dados pelas faixas coloridas. Dobre e corte os seus terminais de modo que fiquem na posição certa da montagem. Seja rápido na soldagem.
d) Faça as interligações de C3 a C1 e de C2 a Q2 na ponte usando pedaços de igual tamanho de fio flexível de capa plástica. Na placa de circuito impresso não teremos estas interligações.
e) Faça a ligação do transformador. Observe que o enrolamento de baixa tensão 6-0-6 V usa fio esmaltado ou, então, fio flexível de capa plástica na cor azul-preto-azul ou verde-preto-verde. O enrolamento primário de alta tensão tem os fios vermelho-marrom-preto.
Os fios vermelho e preto serão usados, ficando o marrom livre. Corte-o rente ao transformador. Se sua montagem for em base de madeira ou caixa, fixe bem o transformador antes de fazer sua soldagem, o mesmo acontecendo em relação à ponte.
f) Para ligar as chaves e os potenciômetros você deve usar fio flexível de capa plástica. O comprimento destes fios deve ser planejado de acordo com a posição que cada controle ocupará no painel. O melhor procedimento neste caso é fixar antes os controles e somente depois fazer as ligações.
g) A ligação dos bornes J1 e J2 também será feita com a ajuda de fios flexíveis. O comprimento será de acordo com sua posição no painel.
h) Finalmente, você fará a conexão do suporte das pilhas. Veja bem a sua polaridade que é dada pelas cores dos fios. O suporte deve ter elementos para fixação na caixa por parafusos ou ainda braçadeira.
i) A lâmpada neon pode ser fixada no painel de diversos modos. Pode ser encaixada num furo onde tenha sido colocada uma borracha de passagem ou, então, pode ser usada uma janela plástica translúcida, com a lâmpada por trás.
Terminada a montagem o leitor deve conferir tudo, verificando principalmente na versão em ponte se os terminais dos componentes não encostam uns nos outros.
PROVA
A prova é feita do seguinte modo:
a) Coloque as pilhas no suporte, atentando para a sua polaridade. Para maior durabilidade do aparelho, use pilhas alcalinas.
b) Coloque P2 na posição de mínimo e mantenha S2 desligado. S3 deve estar na posição de CA, inicialmente.
c) Acione S1 que liga o aparelho e vá girando o potenciômetro P1 vagarosamente. A lâmpada neon deve modificar seu brilho, e aproximando o ouvido do transformador você ouvirá sua vibração.
d) Ligue em seguida duas pontas de prova entre os bornes e segure-as conforme indicado na figura 11.
e) Vá girando lentamente o potenciômetro P2 de intensidade. Deixe o potenciômetro P2 na posição de máximo, ou seja, todo para a direita. Em determinado momento você sentirá uma leve vibração nos dedos, depois um formigamento e, abrindo mais, a verdadeira sensação de choque, se você realmente quiser chegar lá.
Se não houver oscilação verifique em primeiro lugar as ligações do transformador e depois os transistores. Veja também as ligações dos potenciômetros.
Se a oscilação acontecer, mas não houver excitação, permanecendo a lâmpada neon apagada, verifique o transformador que pode estar interrompido.
Correndo tudo em ordem, você pode realizar as suas experiências.
USO
O aparelho terá uma tensão máxima CA de 360 V. Seu consumo com tensão de 3V variará entre 4 e 100 mA. Com 6 V variará entre 10 e 200 mA. Na posição de máximo com 200 mA não será conveniente deixá-lo ligado por muito tempo. Use a saída somente no momento da experiência, pois o gasto de energia será alto.
P2 pode ser graduado em termos de tensão.
As experiências que podem ser feitas são muito interessantes:
a) No laboratório de biologia podem ser excitados nervos de espécimes dissecados, utilizando-se tanto CC como CA, conforme sugere a figura 12.
b) Plantas podem ser excitadas ou simplesmente submetidas a campos elétricos, conforme sugere a figura 13.
c) Na figura 14 temos uma interessante sugestão de experiência feita com peixes, para verificação de eletrotropismos destes animais.
As próprias reações à descargas elétricas de curta duração podem ser estudadas ou ainda a percepção de fracas correntes. Na mesma figura damos a sugestão de ligação de um microamperímetro para se detectar o limiar da percepção destes animais.
d) Na figura 15 temos uma experiência interessante, que pode ser feita com um grupo de estudantes, para verificação do limiar da sensação de choque, e a passagem da corrente por um circuito fechado.
Na situação inicial com o potenciômetro P2 todo fechado e P1 no máximo, nada é sentido por nenhum elemento do grupo. Em seguida, abrindo-se, vagarosamente o controle de intensidade, os elementos do grupo em primeiro lugar sentem uma sensação de formigamento, depois sentem pulsações fortes e, finalmente, a dor.
Q1, Q2 - BD135, BD137 ou BD139 - transistores NPN de potência
NE-1 - lâmpada neon NE-2H ou equivalente
D1 - 1N4007 ou BY127 - diodo retificador de silício
P1- 47 k - potenciômetro duplo comum
P2 – 47 k - potenciômetro simples linear nx
R1, R2 – 1 k x 1/8 W - resistores (marrom, preto, vermelho)
R3 – 470 k x 1/8 W - resistor (amarelo, violeta, amarelo)
C1 - 100 uF x 16 V - capacitor eletrolítico
C2, C3 - 56 nF ou 0,05 uF - capacitores de poliéster ou cerâmicos
C4 - 220 nF - capacitor de poliéster
C5 - 470 nF x 450 V - capacitor de poliéster
T1 - transformador com primário de 110 e 220 V e secundário de 6 + 6 V x 250 mA
S1, S2 - interruptores simples
S3 - chave de 1 polo x 2 posições (ou chave HH)
J1, J2 - bornes (vermelho e preto)
B1 - 3 ou 6 V - 2 ou 4 pilhas médias ou grandes
Diversos: caixa para montagem, pontes de terminais, botões para os potenciômetros, fios, solda, suporte para 2 ou 4 pilhas médias ou grandes, pontas de prova e eletrodos.
