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Eletrônica


 Biofísica

O crescente desenvolvimento da tecnologia tem sido acompanhado, e em grande parte sustentado, pelo avanço da eletrônica, disciplina hoje fundamental para a ciência e a tecnologia.
A eletrônica é a parte da física aplicada que estuda os fenômenos relacionados com os elétrons, ou cargas elétricas elementares, seu comportamento e suas propriedades em estado livre. De um ponto de vista mais próximo da engenharia, tende-se a considerar a eletrônica como a parte da física que trata dos circuitos elétricos e de instrumentos constituídos por válvulas termoiônicas, dispositivos semicondutores (transistores, termistores, circuitos integrados), tubos de raios catódicos e outros componentes, entre os quais os baseados no efeito fotoelétrico (células fotoelétricas, válvulas fotomultiplicadoras etc.).
Normalmente, a utilização de dispositivos eletrônicos requer a transformação prévia dos fenômenos por meio de procedimentos elétricos. Esses últimos são empregados, por exemplo, para converter informação acústica ou visual em elétrica, ou vice-versa. As técnicas eletrônicas têm importância capital no campo da informática.
Os equipamentos utilizados compõem-se dos chamados circuitos eletrônicos, que são combinações de componentes simples que desempenham determinada função. As duas variáveis elétricas primordiais são a tensão, que é um indicador do potencial existente em um ponto do circuito, e a intensidade de corrente elétrica, que expressa a quantidade de carga elétrica que se desloca na unidade de tempo pelo condutor. A intensidade de corrente elétrica é diretamente proporcional à diferença de potencial elétrico existente entre dois pontos do circuito.
Origem e evolução. O desenvolvimento da eletrônica ocorreu a partir de inícios do século XX, como conseqüência do acúmulo, nas décadas precedentes, de conhecimentos sobre a eletricidade. Assim, o americano Thomas Alva Edison, quando experimentava suas lâmpadas elétricas incandescentes, observou que seu interior ficava negro por causa da emissão de elétrons provocada pelo aquecimento dos filamentos. O inventor não fez nenhum uso prático do fenômeno, que se tornou conhecido como efeito Edison.
Posteriormente confirmou-se que a eletricidade pode-se propagar mesmo na ausência de um meio material transmissor. Essas descobertas confluíram nos trabalhos do engenheiro inglês John Ambrose Fleming, que idealizou uma aplicação prática do efeito Edison (emissão termoiônica) na recepção de ondas de rádio. Quando o pólo negativo de um tubo a vácuo, alimentado por uma bateria, se aquecia,  estabelecia-se uma corrente contínua de elétrons para o pólo positivo, ao passo que não se produzia corrente se a polaridade era trocada. O dispositivo resultante, que só permitia a passagem da corrente elétrica em um sentido, denominado válvula termoiônica, ou diodo (que contém apenas dois eletrodos), foi aperfeiçoado posteriormente com a incorporação de um terceiro eletrodo, dando lugar aos triodos. Estes, junto com todos os demais tipos de tubos e válvulas a vácuo, vieram formar os fundamentos da moderna técnica eletrônica.
A indústria eletrônica teve grande desenvolvimento a partir da segunda guerra mundial. Em 1948, foi inventado o transistor - componente constituído por um semicondutor que amplia, modula e detecta oscilações elétricas - que substituiu a válvula e permitiu a fabricação de sistemas complexos que viriam a ser a base dos computadores. O tamanho dos circuitos reduziu-se consideravelmente e essa diminuição foi maior ainda após o surgimento, na década de 1970, dos circuitos integrados, formados por elementos fixos instalados em um único suporte semicondutor. Com os circuitos integrados abriram-se novos caminhos, em virtude de sua miniaturização e da possibilidade de sua fabricação em série. Os anos seguintes foram de desenvolvimento contínuo da eletrônica, que se transformou em uma das mais pujantes indústrias dos países desenvolvidos.


Sinais. Denomina-se sinal a variável elétrica que contém informação. Essa característica diferencia um sinal das demais variáveis físicas consideradas em um circuito. A informação é introduzida num sinal ou dele extraída por meio de um sistema denominado codificação. O conjunto de regras de interpretação de um sinal chama-se código. Os sinais empregados em eletrônica dividem-se em três grupos: periódicos, cuja forma se repete a intervalos determinados de tempo; analógicos, se variam em função do tempo sem seguir uma regra determinada; e digitais, quando assumem valores discretos a cada momento, sem apresentar valores intermediários.


Materiais eletrônicos. Em função de seu comportamento elétrico, os materiais usados em eletrônica dividem-se em condutores, isolantes e semicondutores. Os primeiros configuram redes de átomos que compartilham uma nuvem de elétrons livres, como ocorre com os metais. Nos corpos isolantes, quase todos os elétrons permanecem ligados aos átomos da estrutura, e a aplicação de um campo elétrico quase não gera movimento nas cargas. Os semicondutores apresentam um comportamento misto: a baixas temperaturas são isolantes, convertendo-se em bons condutores quando se aquecem.
Os semicondutores desempenharam um papel fundamental no notável avanço da eletrônica. São materiais que se apresentam ou em estado natural, caso de elementos químicos como o germânio e o silício, ou que são elaborados artificialmente, mediante o acréscimo de pequenas quantidades de impurezas ao cristal semicondutor (semicondutores dopados). Os semicondutores artificiais podem ser do tipo n, se a impureza tem cargas negativas livres e cargas positivas fixas, e do tipo p, se ocorre o contrário. A natureza dessas substâncias constitui o campo da física do estado sólido.


Componentes, dispositivos e circuitos. Chama-se componente qualquer dos elementos básicos que servem à construção de circuitos. Exemplos de componentes são as resistências, as bobinas e os condensadores. O avanço nas técnicas de fabricação possibilitou o aperfeiçoamento de outros tipos de circuito, cuja existência seria inconcebível sem os semicondutores. É o caso dos diodos e dos transistores.
O diodo é um componente formado por uma união p-n, isto é, uma transição rápida entre um semicondutor do tipo p e outro de tipo n (dopados) postos em contato. O diodo ideal conduz corrente em um único sentido. Utilizam-se diodos para retificar a corrente alternada e transformá-la em contínua. Os aparelhos de rádio e de televisão contêm circuitos com diodos de função retificadora. O diodo substituiu nessas funções a válvula a vácuo.
O transistor, ou triodo de cristal, é um conjunto de três semicondutores em contato na ordem npn ou pnp. Os cristais das extremidades são fortemente dopados, ao contrário do que ocorre na região central, que é muito delgada. O elemento central chama-se base e os outros dois cristais são o emissor e o coletor. Polarizando-se convenientemente um transistor, pela aplicação de uma tensão adequada a cada um de seus três elementos, pode-se controlar a corrente entre o emissor e o coletor. Em conseqüência, esse tipo de mecanismo é fundamental para a construção de amplificadores.
Em outro contexto, os pequenos módulos que integram um grande número de componentes eletrônicos (diodos, transistores, condensadores etc.), colocados sobre uma lâmina ou pastilha recebem o nome de circuito integrado. Seu emprego representou grande economia de trabalho e de custos e aumentou a segurança dos circuitos. A técnica de fabricação mais comum é o processo denominado planar-epitaxial. Consiste em submeter uma das faces de uma placa de silício à ação de um gás a temperatura e pressão adequadas. As partículas de gás fornecem as impurezas necessárias e o silício se cobre com uma camada de óxido nas zonas que não devem ser dopadas. A difusão do gás denomina-se epitaxial quando o gás contém silício. Nos chamados circuitos integrados monolíticos, diversos tipos de componentes são reunidos em bloco.
Já os transdutores são dispositivos que servem para transformar a informação (visual, acústica etc.) em sinal elétrico. O termo foi introduzido tardiamente na prática eletrônica, razão pela qual criaram-se discrepâncias quanto a seu campo de validez. Os transdutores trocam variáveis físicas por variáveis elétricas e podem medir deslocamentos, velocidades, acelerações ou temperaturas. Exemplos de transdutores são os giroscópios, os medidores de arcos e velocidades angulares, os microfones e os acelerômetros.


Tipos de circuitos. A eletrônica emprega grande número de circuitos, de diversos tipos. Os retificadores, por exemplo, convertem corrente alternada em contínua, e são constituídos de transformadores, diodos e condensadores. Já os filtros são utilizados para selecionar tensões dentro de uma margem estreita de freqüências, e em geral são formados por resistências, bobinas e condensadores, agrupados em função da finalidade visada.
Os amplificadores destinam-se a incrementar a amplitude ou potência de um sinal, e classificam-se em lineares e não-lineares, segundo a natureza da resposta dos componentes às polarizações a que são submetidos. Os amplificadores não-lineares, além de aumentar o sinal de entrada, podem mudar a forma de sua onda.
Nos circuitos de comutação empregam-se componentes cujos sinais de saída só assumem valores discretos. Entre eles podem-se citar os flip-flop, de grande utilidade nos circuitos de computador para o tratamento do código binário; os circuitos lógicos, que empregam diodos; e os geradores de dentes de serra. Na área das telecomunicações destacam-se por seu grande uso os circuitos moduladores (que fazem variar a amplitude ou a freqüência das ondas), os detectores e os conversores.


Canalização dos sinais. Um dos parâmetros mais importantes usados na eletrônica é a freqüência dos sinais, que é uma função do tempo. Se o sinal é periódico, chama-se freqüência o número de vezes que ele se repete em um tempo determinado. Os elementos condutores de freqüência vão dos fios comuns e dos cabos coaxiais, que diminuem as perdas, até os guias de onda, próprios de freqüências muito altas do transmissor à antena, ou desta ao receptor. Esses guias podem apresentar formas distintas, sendo as mais comuns as de seções circular e retangular.
Os sinais propagam-se no vácuo ou no ar na forma de ondas eletromagnéticas, que são geradas e captadas por dispositivos denominados antenas. Uma antena é um condutor por onde circula uma intensidade elétrica que varia no tempo segundo uma função senoidal. Ao redor da antena forma-se um campo magnético que, por sua vez, gera um campo elétrico. Ambos os campos se propagam no espaço e induzem correntes também senoidais nas antenas receptoras. As antenas podem ter forma linear, parabólica, cilíndrica etc. Seu emprego estende-se ao campo das comunicações e adquire uma importância especial no aperfeiçoamento dos sistemas de radar, localização, apoio à navegação aérea e marítima, recepção e intercomunicação com satélites orbitais de comunicações. Nesse contexto, a antena é o elemento destinado a emitir a energia eletromagnética fornecida por um sistema gerador e a receber a das ondas que provêm do meio circundante.