A VÁLVULA ELETRÔNICA E O TRANSISTOR

            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