En los cursos técnicos de electrónica y en las escuelas del segundo grado la presencia de cargas eléctricas en los cuerpos es estudiada como parte de la Física denominada Electrostática. El uso de un electroscopio para experiencias prácticas es común, pero la vieja versión de hojas de oro puede ser sustituida por una versión electrónica. De la misma forma, las cargas estáticas son peligrosas, pudiendo afectar la integridad de componentes delicados como, por ejemplo, los chips CMOS muy usados en lógica digital, computadoras, microprocesadores, etc. Un medio simple de detectar si un objeto está o no cargado de electricidad estática es con el uso de un electroscopio. Un circuito para este propósito es lo que describimos en este artículo.
El simple toque de un componente delicado en un objeto cargado de electricidad estática puede dañarlo de forma irreversible. Y eso no es tan difícil de suceder: una persona que camina en una alfombra en un día seco puede adquirir una carga que eleva su potencial a más de 5 000 volts fácilmente!
En los laboratorios de física estamos acostumbrados a ver un simple aparato que detecta la presencia de cargas almacenadas en un cuerpo que es el electroscopio de hojas mostrado en la figura 1.
Sin embargo, además de este aparato ser incómodo de usar a no ser en demostraciones en clase, su sensibilidad no es de las mayores.
La versión electrónica que presentamos además de extremadamente sensible por usar componentes electrónicos, puede ser transportada con facilidad y es bastante simple de montar.
Los profesores de física y electrónica pueden contar con un electroscopio sofisticado por el principio de funcionamiento, sensible por la tecnología pero simple de montar si adoptan este proyecto.
Usando un transistor de efecto de campo como elemento básico cargas de pequeños objetos como plumas, peines, reglas plásticas e incluso envases de componentes pueden ser detectados con facilidad.
COMO FUNCIONA
Un transistor de efecto de campo tiene la corriente entre su drenaje y la fuente controlada por la tensión aplicada a su conducto. Este componente presenta una resistencia de entrada extremadamente elevada, lo que significa una sensibilidad muy grande a las señales de entrada.
Así, si conectamos en la compuerta un electrodo que puede ser una esfera de metal o aún un anillo de cobre, cualquier carga estática de un objeto que se aproxime puede inducir una tensión suficientemente alta para alterar la conducción de corriente entre el drenaje y la fuente del objeto, transistores de efecto de campo, como muestra la figura 2.
Para visualizar entonces cualquier variación de la corriente de drenaje del transistor es suficiente conectar un indicador como por ejemplo un microamperímetro.
En nuestro caso, lo que hacemos es conectar el transistor y otras tres resistencias para formar un puente de Wheatstone. Equilibrando el puente con la ausencia de cargas cerca del sensor, podemos tener la aguja del instrumento en el centro de la escala (el medidor es del tipo con cero en el centro).
Esto significa que dependiendo de la polaridad de la carga que acercamos al sensor, la corriente puede aumentar o disminuir, desequilibrando el puente.
Así, basta observar el movimiento de la aguja del instrumento para que podamos no sólo tener una idea de la cantidad de carga almacenada en un cuerpo sino también determinar su polaridad.
La alimentación del aparato se puede realizar con 4 pilas pequeñas comunes o una batería de 9 V. Como el consumo es extremadamente bajo, la duración de las pilas o la batería será muy grande.
Un punto importante a ser observado en este proyecto es que el transistor usado como amplificador también es extremadamente sensible a cargas estáticas elevadas. Así, si el cuerpo cargado es tocado en el sensor y su carga es muy alta corremos el riesgo de quemar el transistor. Esto debe evitarse.
MONTAJE
En la figura 3 tenemos el diagrama completo del electroscopio.
La disposición de los componentes en una pequeña placa de circuito impreso se muestra en la figura 4.
Cualquier transistor de efecto de campo de unión (JFET) como el BF245, MPF102, etc. se puede utilizar, ya que el circuito no es crítico. En algunos casos existe hasta la posibilidad de cambio de los terminales de drenaje y fuente sin que ello afecte el funcionamiento del circuito. Sin embargo, usando un equivalente es interesante invertir el drenaje y la fuente y experimentar en qué posición se obtiene mayor sensibilidad.
El indicador es un microamperímetro con cero en el centro. La corriente de fondo de escala no es crítica pudiendo quedar entre 50 uA y 500 uA sin problemas.
Los resistores son todos de 1/8 W o mayores.
El sensor consiste en un anillo de alambre de cobre grueso con un diámetro de 2 a 3 cm, como se muestra en la figura. También se puede utilizar una esfera de metal de 2 a 4 cm de diámetro. Es interesante mantener la cubierta para evitar el toque accidental de un objeto con carga elevada en el hilo conductor lo que podría generar una tensión suficientemente alta para causar la quema del transistor.
La caja para montaje puede ser una pequeña jabonera dando preferencia a los tipos plásticos que se pueden encontrar con facilidad en supermercados.
PRUEBA Y USO
Inicialmente, encienda el aparato y ajuste P2 para que la aguja del instrumento vaya a cero.
Después atrite un peine, un lápiz o cualquier otro objeto que pueda electrificar con facilidad. Aproxime este objeto del sensor. La aguja del instrumento debe moverse.
Si la aguja del instrumento tiende a sobrepasar el fondo de la escala o no se mueve suficientemente, repita la experiencia ajustando ahora el trimpot P2. Este componente limita la corriente de fondo de escala de acuerdo con la sensibilidad del instrumento usado.
En algunos casos, el simple movimiento de un objeto cargado a una distancia de varios centímetros ya puede causar el movimiento de la aguja.
El instrumento es extremadamente sensible como el lector puede percibir y puede ser utilizado con una antena telescópica como sensor, detectando incluso el paso de personas con cargas estáticas almacenadas en sus cuerpos a una buena distancia.
En las clases de física el electroscopio electrónico puede resultar en una demostración de los procesos de electrización mucho más eficiente que el tipo tradicional de hojas, gracias a su sensibilidad.
Si se utiliza como sensor una esfera de metal, nunca coloque en ellos los cuerpos cargados en la prueba, ya que puede haber la quema del transistor.
Otro punto importante a ser observado es que el instrumento puede ser sustituido por la escala más baja de corrientes de un multímetro común.
En las clases de física el electroscopio puede ser usado de la misma forma que el tipo convencional sirviendo para demostrar si un cuerpo tiene o no cargas eléctricas almacenadas y cuál es su polaridad.
Recordamos que en días húmedos la posibilidad de cuerpos reteniendo cargas por mucho tiempo disminuye. Las cargas "escapan" al aire húmedo con facilidad descargando los cuerpos en poco tiempo.
Una experiencia interesante consiste en caminar en una alfombra y luego agitar las manos ante el sensor, mostrando cómo nuestro cuerpo puede acumular grandes cantidades de carga que pueden dañar componentes electrónicos sensibles cuando tocamos en sus terminales.
Q1 - BF245, MPF102 o equivalente - transistores de efecto de campo de unión (JFET)
Resistores: (1 / 8W, 5%)
R1 - 1 M ohms
R2 - 10 k ohms
R3, R4 - 1 k ohms
P1 - 10 k ohms - trimpot
P2 - 10 k ohms - pote
Capacitor:
C1 - 1 pF - cerámico
Varios:
X1 - sensor - ver texto
S1 - Interruptor simple
B1 - 6 o 9 V - 4 pilas o batería
Placa de circuito impreso, soporte de pilas o conector de batería, caja para montaje, botón plástico para el potenciómetro, hilos, soldadura, etc.