Orienta¸c˜ ao do Corpo em Rela¸c˜ ao ` a Voltagem Aplicada

agua que entram em contato com ela, ficam eletrizadas, sendo ent˜ao repelidas pela superf´ıcie. Ver o mecanismo ACR descrito na Se¸c˜ao 4.4. Este processo pode descarregar a superf´ıcie.

Em dias ´umidos temos ent˜ao um comportamento anˆomalo do eletrosc´opio quando comparamos com o que ocorre em dias secos e frios, a saber, a dificul-dade de eletriz´a-lo e a facilidade com que o eletrosc´opio descarrega.¹¹ Existem dois fatores principais que influenciam nestes comportamentos do eletrosc´opio, fator I e fator II. O eletrosc´opio est´a em contato essencialmente com o ar ao seu redor e com o canudo pl´astico que o liga `a Terra. Ele pode ent˜ao descarregar para o ar ao seu redor (fator I), ou para a Terra atrav´es do seu suporte isolante (fator II). Na Se¸c˜ao3.1vimos que a ´agua comporta-se como um bom condutor para as experiˆencias de eletrost´atica. Fator I: A umidade do ar aumenta sua con-dutividade, fazendo com que o ar conduza mais facilmente comparado aos dias secos. H´a ent˜ao uma maior facilidade de trocas de cargas entre o eletrosc´opio e o ar ao seu redor, descarregando qualquer eletriza¸c˜ao que tenha sido fornecida ao eletrosc´opio pelo canudo eletrizado. Fator II: O vapor de ´agua pode tamb´em condensar na superf´ıcie de qualquer suporte do eletrosc´opio que o liga `a Terra, como ´e o caso dos canudos pl´asticos dos eletrosc´opios usuais utilizados neste livro. Esta umidade acumulada na superf´ıcie dos canudos ou de outros suportes do eletrosc´opio fazem com que estes suportes passem a se comportar como con-dutores, facilitando a troca de part´ıculas eletrizadas com o solo e descarregando o eletrosc´opio. Este efeito ´e especialmente importante em materiais hidr´ofilos que tˆem afinidade pela ´agua, fazendo com que ela fique presa `a superf´ıcie destes corpos.

3.3.7 Orienta¸ c˜ ao do Corpo em Rela¸ c˜ ao ` a Voltagem Apli-cada sobre Ele

Existem materiais anisotr´opicos cuja resistˆencia el´etrica varia dependendo da dire¸c˜ao ou orienta¸c˜ao do material. O grafite, por exemplo, tem uma estrutura de camadas ou folhas sobrepostas. A resistˆencia el´etrica ´e baixa no plano destas camadas e alta na dire¸c˜ao normal a estas camadas.

Existem alguns materiais polares que se comportam como condutores em um sentido e como isolantes no sentido inverso. O exemplo mais comum e com enorme aplica¸c˜ao pr´atica ´e o diodo semicondutor. Ele ´e facilmente encon-trado em lojas de materiais el´etricos ou eletrˆonicos, sendo de baixo custo (pre¸co de alguns centavos por diodo). Estes materiais possuem grande aplica¸c˜ao na ind´ustria eletrˆonica, sendo usados como retificadores de corrente el´etrica, como chaves ou interruptores, al´em de muitas outras fun¸c˜oes. Na Figura 3.16 (a) apresentamos a aparˆencia real deste dispositivo, enquanto que em (b) apresen-tamos sua representa¸c˜ao esquem´atica como aparece nos circuitos el´etricos. Suas duas polaridades s˜ao chamadas de ˆanodo (ou anodo) e c´atodo (ou catodo).

Experiˆencia 3.33 - Polaridade do diodo

11Se¸c˜oes 7.11 e 7.13 de [Ass10b], [Ass10a], [Ass11], [Ass15b] e [Ass17].

Ânodo Cátodo

(a) (b)

Figura 3.16: (a) Representa¸c˜ao de um diodo real. (b) Representa¸c˜ao esquem´atica.

Pode-se observar o comportamento de um diodo com um circuito simples composto por uma lˆampada de lanterna que acende com 1,5 ou 3 V, com uma ou mais pilhas comuns de 1,5 V, juntamente com alguns peda¸cos de fio. A pilha pode ser usada sozinha ou ent˜ao com duas ou mais pilhas ligadas em s´erie.

Montamos o circuito como na Figura3.17(a). Observa-se que a lˆampada acende.

Neste caso o ˆanodo do diodo est´a ligado ao terminal positivo da pilha, sendo esta configura¸c˜ao chamada de polariza¸c˜ao direta. Como a lˆampada acende, o diodo est´a se comportando como um condutor nesta polariza¸c˜ao. Antes de prosseguir com a experiˆencia ´e importante observar que de fato a lˆampada est´a acendendo nesta polariza¸c˜ao, garantindo com isto que todos os contatos e conex˜oes dos fios est˜ao funcionando bem.

Quando invertemos a polaridade do diodo como na Figura3.17(b), a lˆampada n˜ao acende. Neste caso o ˆanodo do diodo est´a ligado ao terminal negativo da pi-lha, sendo esta configura¸c˜ao chamada de polariza¸c˜ao inversa ou indireta. Como a lˆampada n˜ao acende, o diodo est´a se comportando como um isolante nesta polariza¸c˜ao.

(a) (b)

+

-+

-Figura 3.17: (a) Polariza¸c˜ao direta, com o diodo comportando-se como um con-dutor. (b) Polariza¸c˜ao inversa, com o diodo comportando-se como um isolante.

Este ´e um comportamento fascinante. A simples orienta¸c˜ao do diodo em rela¸c˜ao `a pilha faz com que ele mude completamente suas propriedades con-dutoras. Por este motivo dizemos que ele ´e polar. N˜ao ´e f´acil entender o que ocorre dentro dele, ou como ´e sua constitui¸c˜ao interna. De qualquer forma, depois que se compreende seu comportamento em experiˆencias como esta, fica f´acil utiliz´a-lo em diversas aplica¸c˜oes.

Experiˆencia 3.34 - Aplicando uma alta voltagem a um diodo

Na Experiˆencia3.33vimos que dependendo da orienta¸c˜ao de um diodo em um circuito simples (composto por fios, lˆampada e pilha), ele se comporta como condutor ou isolante. Este fato depende da diferen¸ca de potencial que se aplica

entre suas extremidades. No caso da experiˆencia3.33 t´ınhamos uma ou mais pilhas em s´erie gerando uma diferen¸ca de potencial de alguns volts. J´a nas experiˆencias de eletrost´atica lidamos com voltagens muito maiores, variando tipicamente entre 1.000 V e 10.000 V. Nesta experiˆencia vamos analisar o com-portamento de um diodo na eletrost´atica.

Inicialmente eletrizamos um eletrosc´opio, Figura 3.18 (a). Seguramos um diodo pelo c´atodo e encostamos o ˆanodo do diodo na cartolina do eletrosc´opio eletrizado. Observa-se que a tirinha abaixa imediatamente, Figura3.18(b). Ao afastarmos o diodo observa-se que a tirinha continua abaixada, indicando que o eletrosc´opio foi descarregado.

(a) (b) (c)^.

Figura 3.18: (a) Eletrosc´opio eletrizado. (b) Segurando o diodo pelo c´atodo, encosta-se o ˆanodo do diodo no eletrosc´opio e a tirinha abaixa. (c) A tirinha permanece abaixada ap´os afastarmos o diodo.

O mesmo efeito ocorre quando seguramos um diodo pelo ˆanodo e encostamos o c´atodo do diodo na cartolina do eletrosc´opio eletrizado, Figura3.19.

(a) (b) (c)^.

Figura 3.19: (a) Eletrosc´opio eletrizado. (b) Segurando o diodo pelo ˆanodo, encosta-se o c´atodo do diodo no eletrosc´opio e a tirinha abaixa. (c) A tirinha permanece abaixada ap´os afastarmos o diodo.

Ou seja, tanto na polariza¸c˜ao direta quanto na polariza¸c˜ao inversa o diodo comporta-se como um condutor para as experiˆencias de eletrost´atica. Este ´e mais um exemplo de que o comportamento condutor ou isolante de um corpo depende da diferen¸ca de potencial que aplicamos entre as extremidades do corpo, como mostrado na Subse¸c˜ao3.3.2.

N˜ao enfatizamos aqui se o eletrosc´opio estava eletrizado positivamente ou

negativamente, j´a que este aspecto n˜ao ´e relevante para o resultado da ex-periˆencia. Ou seja, o comportamento das Figuras 3.18 e 3.19 ocorre tanto para um eletrosc´opio positivamente eletrizado quanto para um eletrosc´opio ne-gativamente eletrizado. Nestes dois casos o diodo comporta-se como condutor nas experiˆencias de alta voltagem da eletrost´atica, tanto na polariza¸c˜ao direta quanto na polariza¸c˜ao inversa.

Experiˆencia 3.35 - Polaridade de um LED

Existem alguns tipos especiais de diodos que emitem luz, chamados de LEDs (light emitting diodes). Os formatos s˜ao variados, sendo que na Figura3.20(a) apresentamos a aparˆencia de um LED real, enquanto que em (b) apresentamos sua representa¸c˜ao esquem´atica como aparece nos circuitos eletrˆonicos. Eles tamb´em s˜ao baratos e facilmente encontrados em lojas de eletrˆonica (pre¸co de alguns centavos por LED). Alguns acendem com 1,5 ou 3 V.

Ânodo Cátodo

(a) (b)

Figura 3.20: (a) Representa¸c˜ao de um LED real. (b) S´ımbolo de um LED como aparece nos circuitos eletrˆonicos.

Os LEDs podem ser utilizados no lugar das lˆampadas de lanterna das Se¸c˜oes 2.7,3.2e da Subse¸c˜ao3.3.2. O ´unico cuidado a ser tomado com os LEDs ´e que eles s˜ao polares. Ou seja, quando est´a diretamente polarizado ele acende, como indicado na Figura 3.21. Na polariza¸c˜ao direta o terminal positivo da pilha deve ser ligado ao ˆanodo do LED, enquanto que o terminal negativo ´e ligado ao c´atodo do LED.

(a) (b)

+

-+

-Figura 3.21: (a) LED aceso na polariza¸c˜ao direta. (b) Representa¸c˜ao esquem´atica do LED na polariza¸c˜ao direta.

J´a na polariza¸c˜ao inversa ou indireta ele n˜ao acende, como indicado na Figura 3.22.