El estudio de los fenómenos de
electrostática captura el interés del estudiante
porque se enfrentan a misteriosas fuerzas invisibles y de
acción a distancia.
Para el profesor es otra historia… Sobre él
recae el éxito o el fracaso del experimento ya que debe
tener en cuenta muchos parámetros para garantizar el
éxito.
¿Cuantas veces después de frotar un objeto
no se carga eléctricamente?
¿Será que no se ha frotado lo suficiente?,
¿el día es muy húmedo?
Para registrar la actividad de las cargas
estáticas se emplea un instrumento llamado Electroscopio,
que puede ser muy simple y casero pero poco sensible o un equipo
electrónico comercial, preciso pero costoso.
Este trabajo presenta la construcción de un
electroscopio electrónico basado en un transistor de
efecto de campo FET. Dicho instrumento presenta una sensibilidad
altísima, de montaje bastante sencillo y económico,
que le permite al docente mostrar los fenómenos de
electrostática en el aula, sin complicaciones y
funcionamiento garantizado.
Evidencias arqueológicas muestran que en la
antigua Grecia, Roma y Persia se conocía la propiedad que
tienen algunos cuerpos (pelusas, hilos, etc) que al ser frotados
se atraen entre sí.
La observación de estos fenómenos
contribuyó a la postulación de leyes y principios
de la electricidad y el magnetismo. Todos estamos familiarizados
con los efectos de la electricidad estática, incluso
algunas personas son más susceptibles que otras a su
influencia.
Para explicar cómo se origina la electricidad
estática, hemos de considerar que la materia está
compuesta por átomos (núcleos rodeados por una nube
de electrones). Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo
número de cargas positivas y negativas. Algunos
átomos tienen más facilidad que otros para perder o
ganar sus electrones, en especial cuando son frotados. De esta
manera un cuerpo podría adquirir carga positiva o
negativa.
El electroscopio es un instrumento capaz de estimar la
carga estática y signo, que posee un cuerpo.
Clásicamente el electroscopio se construye a partir de dos
placas muy delgadas y livianas, conductoras de electricidad,
unidas entre sí. Cuando las placas se cargan
eléctricamente pueden ser atraídas o repelidas
dependiendo del signo y cantidad de cargas. Para lograr la
deflexión de estas placas se necesita una cantidad
apreciable de carga así como un rodamiento eficaz para que
las placas se deflacten sin dificultad. Estas condiciones no
siempre son fáciles de obtener y ese es justo el problema
que se presenta con los electroscopios de rodamientos o
mecánicos. La figura Nº 1 muestra las partes
constituyentes de un electroscopio clásico.
Una alternativa sería el empleo de electroscopios
electrónicos, bastante precisos y funcionales, pero a la
vez, costosos y sofisticados. El presente trabajo ofrece una
alternativa de diseño de un electroscopio de
fabricación casera, con pocos componentes de muy bajo
costo, de funcionamiento sencillo y sobretodo
confiable.
Figura. 1. Electroscopio clásico,
conformado por una botella de vidrio y tapa aislantes, dos
láminas delgadas metálicas unidas por rodamientos y
soportes metálicos.
En 1947, Walter BrattainJohn Bardeen y William Shockley
inventaron el transistor, recibiendo el Premio Nobel de
Física por ello en 1956.
Un transistor (la contracción de transfer
resistor o resistencia de transferencia) es un dispositivo
semiconductor con tres terminales utilizado generalmente como
amplificador o interruptor y en el que una pequeña
corriente o tensión aplicada a uno de los terminales
controla o modula la corriente entre los otros dos terminales. Es
el componente fundamental de la electrónica, tanto digital
como analógica.
En los circuitos digitales, los transistores se usan
como interruptores, y disposiciones especiales de ellos
configuran las puertas lógicas, memorias RAM y otros
dispositivos; en los circuitos analógicos se usan
principalmente como amplificadores, como en nuestro caso, ya que
lo estamos empleando para captar y amplificar una pequeña
corriente eléctrica.
Existen distintos tipos de transistores, de los cuales
la clasificación más aceptada consiste en
dividirlos en transistores de bipolares o BJT (Bipolar Junction
Transistor), transistores de efecto de campo o FET (Field Effect
Transistor) y MOSFET (transistor FET de tipo
Metal-Óxido-Semiconductor). Los MOSFET permiten un
diseño extremadamente compacto, necesario para los
circuitos altamente integrados (CI).
Los transistores BJT presentan el inconveniente que la
impedancia de entrada es baja por lo tanto deberá consumir
corriente del campo eléctrico que se está midiendo,
es por eso que se elige el transistor tipo FET.
Un transistor FET está formado por una barrita de
material p o n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud
por un collar de otro tipo de material que forma con el canal una
unión p-n (Ver figura Nº 2) .
Figura. 2. Símbolo
electrónico FET canal N y esquema.
El principio básico de funcionamiento es el uso
del transistor FET como amplificador de las pequeñas
variaciones de campo eléctrico en las cercanías de
un cuerpo cargado.
La puerta (Gate) del transistor funciona como una antena
percibiendo cambios del campo eléctrico, el transistor
consume una millonésima parte de este campo, lo amplifica
y lo mide a través del amperímetro. Este
amperímetro preferiblemente debe tener el cero en el
centro de la escala de manera que la deflexión hacia la
derecha (por ejemplo) indica que la carga en la antena tiene
signo contrario al que tendría si la deflexión
fuese hacia la izquierda.
El diagrama eléctrico del montaje se muestra a
continuación en la figura Nº 3..
Figura 3. Esquema electrónico de
un electroscopio basado de un transistor FET.
Con la resistencia variable R1 podemos ajustar el cero
en la escala del amperímetro y el condensador C y el
resistor R2 actúan como filtro para suprimir el ruido y
estabilizar la tensión.
Respecto al amperímetro, es ideal uno muy
sensible, 50 &µA le va muy bien ya que puede registrar
variaciones muy pequeñas de campo eléctrico, pero
si no disponemos de él, podemos usar un amperímetro
de inferior valor y a pesar de perder sensibilidad,
funcionará en la mayoría de los casos.
Los componentes deben ensamblarse en una placa de
baquelita para montajes de circuitos. Debe tenerse especial
cuidado al manipular el transistor ya que el campo
eléctrico circundante (producido por la mano, herramientas
o el ambiente) puede dañarlo. Se recomienda cubrir los
terminales del transistor con papel de aluminio hasta el momento
de soldarlo en la placa.
Este circuito debe apantallarse por medio de una
cobertura metálica, por ejemplo una caja de aluminio y
dejar libre (y fuera de la caja) un alambre forrado soldado al
terminal "g" del transistor para que actúe como
antena.
En el montaje se pueden emplear alguno de los
transistores 2N3819 o BF245A, pero hay que tomar en cuenta que la
configuración de los terminales son diferentes.
La figura 4, muestra la identificación de los
terminales del transistor dependiendo del tipo. Debe presentar
especial cuidado de los terminales ya que cualquier
equivocación arruinará el transistor.
Figura 4. Identificación de los
terminales del transistor empleado.
Tenga mucho cuidado al momento de soldar el transistor
ya que un exceso de calor puede deteriorarlo.
Una vez terminado el circuito y verificado el buen
funcionamiento del mismo, se procederá a ensamblarlo en su
caja metálica para apantallarlo.
Perfore la caja y ensamble el amperímetro,
reóstato, interruptor y la antena puede fabricarla con 10
centímetros de cable con cubierta aislante que se
colocará fuera de la caja metálica.
El aspecto del electroscopio acabado se muestra en la
figura 5.
Figura 5. Aspecto que tendrá el
electroscopio totalmente acabado.
En relación a la sensibilidad ya se
mencionó que este instrumento es muy superior al
electroscopio clásico. Es capaz de detectar actividad a
metros de distancia. Una estimación de la corriente
registrada en función de la distancia puede apreciarse en
la gráfica Nª 1.
Gráfica Nº 1. Respuesta de la
distancia vs corriente.
Claro está que la respuesta del instrumento
está relacionada con la cantidad de carga y con las
condiciones ambientales del momento, pero casi siempre se
obtendrá una respuesta satisfactoria.
LISTA DE MATERIALES
Nº | Componente | Cantidad | |||||||
1 | Transistor FET 2N 3819 o BF245A | 01 | |||||||
2 | Condensador electrolítico 6,8 | 01 | |||||||
3 | Resistor de carbón 2,7 KO / ¼ | 01 | |||||||
4 | Resistencia variable 10 KO | 01 | |||||||
5 | Amperímetro 50 &µA (o | 01 | |||||||
6 | Interruptor | 01 | |||||||
7 | Placa de baquelita perforada | 01 | |||||||
8 | Pila 9 volt | 01 | |||||||
La construcción de este electroscopio no
requirió de procesos ni montajes complejos ya que los
componentes son pocos, económicos y de fácil
adquisición.
El funcionamiento del mismo ha sido muy sencillo, solo
un ajuste de cero antes de comenzar a registrar la actividad
eléctrica y listo para medir.
La sensibilidad del instrumento supera las expectativas
ya que se pudo registrar pequeñas cargas eléctricas
a grandes distancias (un metro o más…).
Dado que es un instrumento para fines didácticos,
es bastante apropiado para los chicos ya que el electroscopio
opera voltajes muy bajos y seguros para ser manipulado sin riesgo
eléctrico.
1. Sears-Zemansky-Young, Física
Universitaria, Addison-Wesley Iberoamericana, sexta
edición.2. Douglas Giancoli, Física General Vol
II, Prentice Hill.3. http://es.wikipedia.org/wiki/Electrost%C3%A1tica
4. http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_efecto_campo
Enviado por:
Pablo Turmero