A VÁLVULA ELETRÔNICA E O TRANSISTOR
O
que e o efeito termoiônico
Os elétrons livres em um corpo
metálico possuem, a qualquer temperatura, um movimento desordenado em virtude
de sua agitação térmica ( de modo semelhante ao que ocorre com as moléculas de
um gás). Nesta agitação constante, os elétrons que atingem a superfície do
metal são atraídos pelos íons positivos da rede cristalina e, à temperatura
ambiente, não possuem energia suficiente para vencer esta atração, permanecendo,
assim, no corpo do metal. Entretanto, se a temperatura do corpo for aumentada,
a agitação térmica dos elétrons aumentará e um grande número deles conseguirá
escapar da atração dos íons positivos. Estes elétrons que escapam do material passa,
a formar uma nuvem eletrônica próxima á superfície do corpo.
Este fenômeno de emissão de elétrons
pela superfície de um metal aquecido é denominado emissão termoiônica e foi observado , pela primeira vez, pelo
inventor americano Thomas Edison . Por este motivo, a emissão termoiônica
costuma ser também denominada efeito Edison.
Thomas Alva Edison ( 1847 –1931)
Considerado
um gênio da tecnologia, registrou cerca de mil patentes elas a da lâmpada de
filamento, a do fonógrafo e a de um projetor de cinema. Tendo montado sua própria indústria, conseguiu economizar um
bom capital, tornando-se , assim , um homem rico. Em 1876 abandonou a fábrica,
estabelecendo-se um laboratório de pesquisas industriais. Foi ai que ele criou suas mais importantes
invenções. Em 1883, tentando aperfeiçoar a lâmpada de filamento, descobriu
acidentalmente o efeito Edison que está descrito neste tópico.
Edison , por acaso, detectou o
fenômeno da emissão termoiônica . Uma placa metálica havia sido introduzida na
parte superior de uma lâmpada elétrica comum, situando-se em frente ao
filamento metálico. A placa foi ligada ao pólo positivo de uma bateria B e o filamento, ao pólo negativo da bateria .
Como sabemos pela bateria B` ( efeito
Joule), emitia uma grande quantidade de elétron que eram atraídos pela placa .
Em virtude disto, Edison observou que um a corrente elétrica era estabelecida
no circuito da bateria B, sendo
indicada pelo amperímetro. Naquela época , nem Edison nem outros cientistas
conseguiram um a explicação para o fato observado.
A
VÁLVULA DIODO
O efeito termoiônico encontrada a sua mais importante na
construção das válvulas
eletrônicas, usadas
amplamente como você já deve ter visto, em aparelho de rádio, TV etc.
A mais simples das válvulas é
denominada diodo ( o
nome indicada que ela possui dois eletrodos) e nada mas é do que uma adaptação
da lâmpada com a qual Edison descobriu o efeito termoiônico.
Ela consiste em um cilindro metálico
( o catodo , isto é, o eletrodo negativo) , que é aquecido por meio de um
filamento em seu interior , no qual passa uma corrente elétrica ( os dois pinos
aos quais se aplica a voltagem que fornece a corrente ao filamento). Este
cilindro é envolvido por outro, também metálico, que constitui o anodo da
válvula ( eletrodo positivo). Aplicando-se uma voltagem aos pinos A e B,
os elétrons que são emitidos, em virtude do efeito termoiônico, pelo catodo
aquecido, dirigem-se para o anodo. É necessário que seja feito o vácuo no
interior da válvula para permitir este deslocamento dos elétrons.
O
DIODO USADO COMO RETIFICADOR DE CORRENTE ALTERNADA.E
As válvulas diodo, desde a sua
invenção, passaram a ser amplamente empregadas em circuito eletrônico porque é
possível, com elas, retificar uma corrente alternada. Em outras palavras, as
válvulas diodo transformam uma corrente
alternada em corrente contínua. Para entender por que elas são capazes de
produzir este efeito, consideremos um circuito no qual a placa P de um diodo foi ligada ao polo
positivo de uma bateria e o catodo, ao polo negativo. Nestas condições, os
elétrons emitidos pelo catodo aquecido são atraídos pela placa e, então, uma
corrente elétrica se estabelece no circuito, sendo acusada pelo amperímetro. Considere,
entretanto, que a ligação tenha sido feita P
ligada ao polo negativo e ( que continua a ser aquecido) são repelido por P , não havendo, portanto , passagem de
corrente e elétrica entre C e P ,
logo o amperímetro não acusa corrente no circuito. Portanto , a válvula diodo
só permite a passagem de corrente
através dela quando P está em um
potencial e mais alto que o de C. Em outras palavras, o diodo só permite a passagem de
corrente em um determinado sentido, impedindo que a corrente passe em sentido
contrário.
Suponha, agora, que m gerador de
corrente alternada esteja ligado a uma resistência, R.
A intensidade da corrente que passa
em R varia periodicamente de sentido, ou seja, a corrente passa através de R
ora em um sentido , ora em sentido contrário. Se uma válvula diodo for
introduzida no circuito, ela só permitirá a passagem da corrente no sentido
indicado, impedindo que ela circule no sentido contrário. Desta maneira, a
intensidade da corrente, depois da introdução da válvula diodo variará.
Esta corrente é interrompida
periodicamente ( pulsante) e é
retificada, isto é, ela está passando no circuito sempre no mesmo sentido.
Apesar de retificada, ela ainda não é uma corrente contínua ( constante) , como
aquela fornecida por pilhas ou baterias. Entretanto, é possível associar à
válvula diodo certos dispositivos ( capacitores) , de modo a obter , no
circuito, uma corrente retificada cuja intensidade é praticamente constante
apresentando apenas pequenas flutuações no decorrer do tempo.
OUTROS
TIPOS DE VÁLVULAS
Com o desenvolvimento da eletrônica,
surgiram, além do diodo, diversos tipos de válvulas, destinadas a desempenhar
as mais variadas funções. As que mais têm grande utilidade em aparelhos que
encontramos frequentemente em nossa vida diária válvula que constitui o tubo de
TV.
Uma válvula, que é denominada tríodo
( porque tem três eletrodos). Ela nada
mais que é do que um diodo na qual foi introduzido um terceiro eletrodo, denominado grade , e geralmente constituído por
uma rede metálica. Esta válvula tem a
finalidade de amplificar sinais elétricos, isto é, com o tríodo conseguimos
tornar uma pequena voltagem ( ou uma pequena corrente ) muitas vezes maior.
A válvula que é encontrada nos
aparelhos de TV, usada para produzir as imagens sobre a tela . Esta válvula ,
denominada tubo de TV , ou canhão eletrônico, é constituída essencialmente das seguintes
partes: um filamento aquecido ( catoto) , uma grade , um anodo cilíndrico , dois
pares de placas , P1 e P2 , e uma tela fluorescente
. Os elétrons emitidos pelo filamento aquecido são acelerados em direção ao
anodo por uma diferença de potencial de várias milhares de volts ( cerca de 15
000 V ). Após atravessar o anodo, o feixe de elétrons passa entre as placas P1
e P2 e atinge a tela, provocando um que na luminosidade (fluorescência) no ponto
de impacto. Entre o par de placas P1 existe um campo elétrico que desvia o
feixe para a direita e para a esquerda. Assim, o feixe de elétrons varre a tela
totalmente com grande velocidade, fazendo com que ela se apresenta
uniformemente iluminada. Obedecendo os sinais que chegam da antena á grade , o
feixe de elétrons adquire maior ou menor
intensidade, fazendo com que certas regiões da tela fiquem mais ( ou menos)
iluminadas durante a varredura, Este fato dá origem à formação de imagens em
preto-e-branco que são na tela.
SEMICONDUTORES
TIPO n E p
É possível que você já tenha ouvido
falar que as válvulas eletrônicas estão sendo substituídas por dispositivos
muito menores, mas econômicos e mais duráveis, construídos com o auxilio de materiais
semicondutores.
Um semicondutor é uma substancia cuja resistência
diminui rapidamente à medida que aumentamos sua temperatura. O silício , como
dissemos , é um exemplo típico de material semicondutor.
Os cientistas verificaram que,
adicionando a um semicondutor quantidade muito pequeno de certas substancias
(chamadas impurezas), as propriedades elétricas dos semicondutores sofrem
consideráveis modificações. Assim, adicionando-se uma pequena quantidade de
arsênio a uma amostra de silício, obtém-se um condutor elétrico semelhante a um
metal, isto é, a condução elétrica nesta substancia é feita por meio por meio
de elétrons livres. Dizemos que um semicondutores como este é o tipo n ( condução feita por cargas
negativas). Por outro lado, se uma pequena quantidade de boro é adicionada ao
silício puro, verifica-se que ele também conduz eletricidade, mas tudo se passa
como se a corrente elétrica fosse constituída pelo movimento de cargas
positivas. Por este motivo, dizemos que o silício dopado com boto é um
semicondutor do tipo p ( condução por
cargas positivas).
JUNÇÃO n-p
E p-n
USADAS COMO RETIFICADORES
Suponha que um cristal fosse obtido
fazendo-se a junção de um semicondutor do tipo n
com do tipo outro p. É possível mostrar que
haverá uma troca de cargas elétricas entre eles, fazendo com que, de um lado e
de outro da superfície de contato , aprecem cargas positivas e negativas,
distribuídas de maneira sequencial e ordenadas.
Ligando-se uma bateria a um cristal n-p , de modo que o contato do pólo positivo desta bateria seja feito como o lado
n e o do pólo negativo como o lado p , obtemos o circuito. Ao ser estabelecida
esta ligação, observa-se um grande aumento das cargas positivas e negativas da
junção, este fato impede que a corrente passe através do cristal n-p ( ele se composta como se fosse um
material de resistência muito elevada) e , consequentemente , não há corrente
no circuito. Entretanto, invertendo-se a polaridade da bateria ( o polo
positivo ligado ao lado p e o negativo ao lado n) haverá uma diminuição considerável
das cargas elétricas na junção. Nestas condições, a corrente elétrica pode passar
facilmente pelo cristal n-p e o amperímetro acusara a existência uma corrente
no circuito.
Esta analise que acabamos de fazer-nos
mostra que um cristal de junção n-p se comporta como uma válvula diodo : deixa
a corrente elétrica fluir através dele em um sentido ( de p para n) , mas impede a
passagem no sentido contrario ( de n
para p). É claro, então, que um
cristal n - p, do mesmo modo que uma
válvula diodo, poderá ser usada como retificador
de corrente , isto é , ele é um diodo semicondutor, em virtude de não
necessitarem de aquecimento, os diodo semicondutores são mais econômico do que
as válvulas comuns, não provocam aquecimentos inconvenientes dos aparelhos e
começam a funcionar prontamente quando são ligados ( observe que os aparelhos a
válvula, ao serem ligados , somente começam a funcionar depois de um certo
tempo, necessário para os filamentos se aquecerem) . Além disso, eles
apresentam uma série de outras vantagens ( custo , tamanho, durabilidade etc.)
que os torna muito mais convenientes do que a válvula de filamento.
O
QUE É UM TRANSISTOR
Não são apenas as válvulas diodo que
estão sendo substituídas, com grandes vantagens, por dispositivos construídos á
base de semicondutores, Também a válvula
tríodo, que, como dissemos , é usada como o objetivo de amplificar sinais
elétricos , esta sendo substituída por um cristal constituído por junções de semicondutores. Em 1948 , três
cientista americanos descobriram que um cristal de semicondutores, apresentando
duas junções , é capaz de produzir amplificações semelhantes àquelas obtidas
com uma válvula tríodo, Estas junções podem ser do tipo n-p-n ou p-n-p . Em
qualquer um desses casos o cristal assim
obtido é denominado transistor,
constituindo-se , como você já deve ter ouvido falar, em um dos dispositivos
mais empregados nos modernos circuitos eletrônicos . Graças ao grande avanço
tecnológico possibilitado pelo transistor , seus inventores receberam o Prêmio
Nobel de Física em 1956.
O uso de cristais retificadores (
junção n-p) e de transistores nos
circuitos de rádios, televisores, gravadores, computadores etc. permitiu uma
redução considerável no tamanho e no peso destes aparelhos. Os antigos rádios a
válvula, por exemplo, eram muito maiores do que os modernos rádios transistorizados.
Mesmo com válvulas em miniatura, o maior numero de dispositivos que se
conseguia ligar em circuitos eletrônicos
correspondia a densidade média de 1
elemento por cm3 . Com o uso dos cristais semicondutores, ligados em
um circuito impresso, conseguiu-se colocar uma média de até 3 elementos por cm3
( nos circuitos impressos, os fios de ligação são substituídos por conexão
metálicas impressas em uma chapa isolante, na qual os elementos são soldados).
O avanço de eletrônica dez com que a
densidade de elementos ligados em um
circuito se tornasse cada vez maior.
Atualmente, com o uso dos modernos circuitos integrados ( vários elementos, como resistências , transistores
etc., agrupados em uma única peça muito pequena), foi possível atingir a
fantástica cifra de 30 000 elementos por cm3. Sem este
desenvolvimento tecnológico, que teria dimensões tão exageradas que sua
construção seria inviável.
O circuito integrado costuma ser
designado, na linguagem dos técnicos em eletrônica, pelo termo chip, palavra de origem inglesa que
significa “ pequeno lasca” esta denominação tem sua origem na maneira pela qual
se obtém um chip: uma pequena placa (
lasca) é cortada de um cristal de silício e mínimas quantidades de impurezas
são colocadas em determinadas posições desta placa. Estas impurezas são
dispostas de maneiras a dar origem a diodos, transistores, resistores, e, até
mesmo, a capacitores e indutores ( componentes do circuito que serão analisados
posteriormente). Observe, então, que os componentes tradicionais dos circuitos
são substituídos por seus equivalentes criados na própria placa do chip , tornando possível a
miniaturização. Um chip de apenas 1
cm de lado pode conter centenas de milhares de transistores e seu custo é
praticamente igual ao de um único
transistor isolado.
TV EM CORES
Vimos, nessa secção, como um feixe
de elétrons, proveniente de um canhão de eletrônico, varre a tela de um tubo de
TV para formar uma imagem em preto e branco.
Nos aparelhos de TV em cores, o
processo de formação da imagem é muito semelhante ao que descrevermos,
Entretanto, neste caso são necessário três canhões eletrônicos diferentes, cada
um emitindo um feixe de elétrons, os quais atingem simultaneamente uma pequena
região da tela.
Cada feixe atinge um ponto desta pequena
região, fazendo com que em deles emita luz vermelha, outro emita luz verde e o
terceiro emita luz azul. São usadas essas cores porque, a partir de sua
superposição, é possível obter um número muito grande de cores com diversas
tonalidades. Se você observar a tela bem de perto ( ou usando uma lupa), você perceberá
que toda ela é coberta por ponto com essas cores,( em alguns aparelho , e lugar
dos pontos coloridos , a tela apresenta lista verticais, muito próximas, com
aquelas cores). A intensidade da cor emitida por cada ponto ira depender da i intensidade
do feixe de elétrons que o atinge . Cada conjunto de três pontos emitira as
três cores básicas, em intensidade dosada convenientemente. Observando a tela
de um acerta distancia, nossos olhos não distinguem os três pontos
separadamente e perceberemos a cor correspondente à superposição das cores que
emitem. Desta maneira, é possível reproduzir
aquele e nome conjunto de
colorações que você vê na tela de uma TV em cores .
HANS
CHISTIAN OERSTED ( 1777 – 1851)
Físico dinamarquês que em 1809 se
tornou professor da Universidade de Copenhague, onde desenvolveu várias
pesquisas no campo da Física e da Química. Em um ensaio publicado em 1813 ,
previu que deveria existir uma ligação entre a Eletricidade e o Magnetismo. Em
1820, durante aula, descobriu que uma agulha magnética é desviada quando
colocada nas proximidades de um condutor que conduz uma corrente elétrica,
assim confirmando experimentalmente sua previsão. Oersted foi professor e
conferencista conceituado, dedicando-se
ainda a escrever alguns artigos sobre filosofia. Em 1824, fundou uma sociedade para divulgar os conhecimentos
cientifico entre o povo.
Fonte: Luiz,
Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física vol 3- São Paulo;Scpione,2006
