Esse projeto visa o estudo de máquinas fotocopiadoras, analisando seus blocos e
procurando utilizá-los para que se possa compreender algumas aplicações da física. O
equipamento no seu todo engloba desde conceitos de mecânica até eletricidade. Esse projeto
visa então um estudo mais profundo das aplicações da eletricidade, criando um protótipo que
possa representar o processo xerográfico e utilizá-lo didaticamente na explanação de assuntos
da área especificada. Será explorado também a história do desenvolvimento das atuais
máquinas de fotocópias, procurando detalhes históricos importantes que possam nos levar
para um conhecimento mais amplo do assunto. Enfim, o trabalho visa a exploração de um
equipamento bastante atual aos olhos do ensino da física.
Introdução
A necessidade é chamada freqüentemente a mãe da invenção, mas as vezes há outras
razões para que os povos se tornem inovativos. Talvez seja o simples desejo de eliminar
tarefas repetitivas e entediosas, transformando-as para que se tornem mais rápidas e
automáticas. Ou talvez seja a constante busca de uma realização pessoal e particular. No caso
de Chester F. Carlson, a necessidade fez com que desenvolvesse um dos mais importantes
aparelhos do século 20: a máquina fotocopiadora.
A procura por processos que pudessem ser utilizados para copiar data da Idade Média,
onde um sábio alemão chamado Gutemberg desenvolveu um processo artesanal que permitiu
que um documento fosse copiado centenas de vezes: a tipografia. O processo tipográfico
representou outra grande conquista na história da humanidade pois, utilizada para a
impressão de jornais, permitiu que um número maior de pessoas tivessem acesso à escrita,
fazendo com que a informação mudasse o panorama cultural do homem.
Outros métodos precederam a xerografia, porém eram simples e confusos. A
hectografia era um desses métodos, e baseava-se na criação de uma cópia mestra que seria
utilizada para gerar as outras cópias. A cópia mestra era escrita num pedaço do papel com
uma tinta especial e pressionada com a face para baixo em uma bandeja com uma espécie de
gelatina que dissolvesse e absorvesse a tinta. As folhas de papel em branco úmidas eram
então pressionadas contra essa bandeja e algumas cópias eram feitas desta forma. Outra
forma de cópia utilizando a hectografia era o processo onde se datilografava ou se escrevia na
folha mestra, sendo que esta era montada em um cilindro para que se tornasse molde para as
outras cópias. Em cada rotação do cilindro o álcool metil dissolve um pouco da tinta da folha
mestra, que é transferida para a folha branca originando as cópias. Outro processo que existia
era o fotográfico, mas possuía um custo muito alto e era bastante lento.
Observando essa dificuldade, um norte-americano chamado CHESTER CARLSON
iniciou suas pesquisas e, em 1937, patenteou um processo que chamou eletrofotografia. Após
muitos estudos ele, no dia 22 de Outubro de 1938, preparou numa lâmina de vidro um
original com os dizeres "10 - 22 - 38 ASTORIA". Em seguida Carlson esfregou com um
lenço de algodão uma placa metálica recoberta com enxofre, que adquiriu cargas elétricas. A
lâmina de vidro foi colocada sobre a placa metálica e exposta à luz de um refletor. E quando
uma folha de papel foi pressionada contra a superfície sulfurosa da placa a inscrição
tranferiu-se para o papel. Retirando a lâmina de vidro, pulverizou a placa metálica com um
pó chamado licopódio, e os dizeres "10 - 22 - 38 - ASTORIA " tornaram-se visíveis. Essa foi
a primeira cópia xerográfica do mundo!!!
A História da Máquina Fotocopiadora
Nascido em 8 de fevereiro de 1906 na cidade de Seattle, Washington, Carlson teve
uma infância bem difícil. Aos 14 anos seu pai tinha tuberculose e artrite, e sua mão acabara
de contrair tuberculose. Ela já trabalhava e era a principal fonte de renda da família.
figura 1 - Chester Carlson
Jovem ainda freqüentou o Riverside Junior College, Califórnia, por três anos
alternando períodos entre a escola e o trabalho.
Na faculdade em 1928, no Instituto de Tecnologia da Califórnia, ele teve dificuldades
em escolherA História da Máquina Fotocopiadora
Nascido em 8 de fevereiro de 1906 na cidade de Seattle, Washington, Carlson teve
uma infância bem difícil. Aos 14 anos seu pai tinha tuberculose e artrite, e sua mão acabara
de contrair tuberculose. Ela já trabalhava e era a principal fonte de renda da família.
figura 1 - Chester Carlson
Jovem ainda freqüentou o Riverside Junior College, Califórnia, por três anos
alternando períodos entre a escola e o trabalho.
Na faculdade em 1928, no Instituto de Tecnologia da Califórnia, ele teve dificuldades
em escolher uma carreira, interessando-se por profissões que permitiriam trabalhar em
reclusão, distante de pressões sociais e distrações. Ele formou-se então como Bacharel em
Física em 1930. Ele possuía uma enorme vontade de torna-se um poeta, um escritor ou um
artista, porém sua idéia era torna-se um inventor.
Porém, deixando de lado a idéia de tornar-se um inventor, Carlson foi vítima da
Grande Depressão que atingiu os Estados Unidos na década de 30. Com muitos débitos ele
mandou currículos para 82 diferentes companhias, sendo que apenas duas responderam mas
sem nenhuma oferta de emprego. Ele foi então trabalhar como engenheiro de pesquisa para
uma empresa chamada Bell Labs em Nova Iorque. Porém ele não ficou muito tempo devido à
Depressão.
Prevendo que provavelmente não conseguiria trabalho na sua área, Calson resolveu
aceitar um emprego numa firma de produtos eletrônicos chamada P.R. Mallory, famosa por
suas baterias. Foi promovido eventualmente a gerente do departamento de patentes da
Mallory. Começou a estudar no período noturno para tornar-se um advogado de patentes. No
fim esse trabalho foi responsável por conduzir Carlson à invenção que mudaria o mundo.
Ele gastava longas horas examinando com atenção documentos e desenhos de
patentes. O serviço requeria muitas cópias e o único caminho para obte-las era copiando-as
manualmente. Como muitas cópias deveriam ser feitas, Carlson procurou formas para que
pudesse duplicar os documentos. O primeiro deles era um método fotográfico e o outro um
método laboratorial. Ambos demostraram ser muito caros e despendiam muito tempo. Para
piorar a situação, Carlson era míope e começava a sofrer de artrite. Ele concluiu que
necessitava de um equipamento que poderia ser utilizado no escritório, de baixo custo, onde
se colocaria o documento numa abertura e a cópia era realizada.
Esse problema porém não possuía um solução muito fácil, mesmo porque até então
ninguém havia conseguido realizar tal feito. Inicialmente Carlson dirigiu-se a biblioteca
pública de Nova Iorque onde estudou diversos artigos científicos e literaturas técnicas. Os
artigos relacionavam-se ao campo da fotografia, porém ele rejeitou esse caminho pois os
métodos químicos usados no processo fotográfico haviam sido já exaustivamente analisados
por diversas companhias, tornando-se então não interessante.
Carlson dirigiu sua atenção então para o campo da fotocondutividade. Esse era um
campo relativamente novo, sendo desenvolvido por um físico húngaro chamado Paul Selenyi.
Leu então que quando a luz atinge a superfície de determinados materiais, ocorre o aumento
da condutividade ( fluxo de elétrons ). Como era um físico, ele teve esse “flash” de inspiração
que todos os inventores costumam dizer que tem. Carlson fez então com que a imagem de
uma fotografia fosse projetada sobre uma superfície fotocondutora utilizando o princípio do
funcionamento dos materiais fotocondutores: a corrente flui somente nas áreas em que a luz
reflete, ou seja, as áreas de cópia são escuras onde a luz não reflete e não permite que a
corrente flua.
Mas como todos os inventores sabem, a inspiração não é a invenção, pois a primeira
pode levar trinta segundos, e a última pode levar anos. Assim Carlson, utilizando como
laboratório a cozinha de sua casa, determinou os princípios básicos do processo denominado
de eletrofotografia. A primeira patente do equipamento foi feita em 1937.
Com o tempo mudou seu laboratório para um quarto vago no salão de beleza de sua
sogra em Astoria, Queens. Como estava sofrendo de artrite e estava sem muita paciência para
continuar com suas experiências, Carlson empregou um físico alemão chamado Otto Kornei
para ajudá-lo. Inicialmente eles utilizaram enxofre que é um mineral que não conduz
eletricidade, mas quando exposto a luz ele conduz um pouco de carga. Revestiram uma placa
de zinco com um revestimento preparado a partir do enxofre e escreveram as palavras “10-
22-38 Astoria” numa lâmina de vidro com uma tinta especial. Em seguida esfregaram com
um lenço de algodão a placa metálica recoberta com enxofre para que adquirisse cargas
elétricas. No quarto escuro, a lâmina de vidro foi colocada sobre a placa metálica e exposta à
luz de um refletor por alguns segundos. Retirando a lâmina de vidro, pulverizaram a placa
metálica com um pó chamado licopódio. Soprando então o excesso de licopódio da superfície
da placa metálica recoberta por enxofre, observou-se uma imagem quase exata, só que
invertida, dos dizeres “10-22-38 Astoria”. Eles então pressionaram um papel de seda sobre a
superfície sulfurosa da placa metálica e obtiveram então a primeira fotocópia que se tem
história !!!
Porém o produto não estava completamente pronto para sua aplicação nos escritórios,
muito trabalho deveria ser feito, mas a teoria de Carlson havia sido confirmada. Kornei
deixou a pesquisa para trabalhar na IBM pois Carlson já não tinha dinheiro para continuar
investindo nas experiências. Com um produto tão interessante e importante se pensaria que
muitas empresas se interessariam pelo processo, porém não foi o que ocorreu. Entre 1939 1
1944 mais de 20 grandes corporações, como IBM, Kodak, GE e RCA não quiseram investir
em tal projeto.
Durante esse tempo, Carlson continuou a trabalhar para a P. R. Mallory, que indicou-o
para o Battelle Memorial Institute, uma organização sem fundos lucrativos que investia em
pesquisa tecnológica. Durante uma visita em 1944, Carlson mencionou que havia patenteado
um novo processo de reprodução de documentos. Em conseqüência disso, os diretores da
Battelle se interessaram e assinaram um contrato com Carlson dando a ele 40% dos
rendimentos. Estando bem ciente da enorme pesquisa que seria realizada, a Battelle atribuiu o
projeto a um físico chamado Roland M. Schaffert, que trabalhou solitário por quase um ano
pois toda a comunidade científica estava voltada para outras áreas devido a Segunda Guerra
Mundial.
Quando a guerra acabou, a Battelle mandou para Schaffert um pequeno grupo de
assistentes para ajudá-lo nas pesquisas com o intuito de melhorar o processo. O primeiro
passo era desenvolver uma nova placa fotocondutiva, diferente da placa sulfurosa utilizada
por Carlson. Assim, a Battelle desenvolveu uma placa recoberta com Selênio, que era um
fotocondutor muito melhor. Após isso, gastaram um ano desenvolvendo um fio, chamado de
fio de corona, responsável por aplicar a carga eletrostática na placa fotocondutiva e para
transferir o pó da placa para o papel.
Uma das partes mais importantes foi o desenvolvimento da tinta seca. Carlson havia
usado um pó de licopódio e outros materiais que produziam uma imagem borrada. A Battelle
pesquisou um substituto para o licopódio que era um pó de ferro muito fino de tinta seca e
uma mistura de um sal de cloreto de amônio e um material plástico. O cloreto de amônio foi
incluído para corrigir o problema das imagens borradas. Esse pó tinha a mesma carga como a
placa metálica, só que nas áreas onde havia poucas cargas ou sem imagem as partículas de
ferro ficavam presas ao sal e não a placa metálica. O material plástico era designado para
derreter quando as partículas de ferro fossem fundidas e aquecidas no papel. Esse material foi
chamado de toner.
Em 2 de janeiro de 1947 a Battelle assinou um contrato de licença com uma pequena
companhia de Rochester chamada Haloid, que manufaturava produtos fotograficos. O
investimento da Haloid no processo eletrografico foi muito arriscado, uma vez que a
companhia não tinha muito dinheiro para investir. Em 22 de outubro de1948 a Battelle e a
Haloid demonstraram a eletrofotografia para o mundo, dez anos depois da primeira
experiência de Carlson. A primeira fotocopiadora foi introduzida em 1949. O processo todo
foi ineficiente e pouco prático. Foram catorze passos diferentes para ser usada e quarenta e
cinco segundos para produzir uma cópia. Mudanças deveriam ser feitas.
A primeira mudança foi referente ao nome do processo. Para alguns o nome
eletrofotografia não era muito atrativo. Um professor do estado de Ohio sugeriu o nome
Xerografia, que vinha do grego xeros ( seca ) e graphos ( escrita ). A Haloid chamou esta
primeira fotocopiadora de XeroX modelo A, sendo que o segundo X no nome era para tornarse
similar ao nome Kodak, que possuía o segundo K. Em 1958, a Haloid oficialmente mudou
seu nome para Haloid Xerox e, finalmente em 1961 mudou novamente e definitivamente para
Xerox Corporation.
O sucesso não havia vindo para a Haloid até 1959 quando ela lançou o modelo 914, a
primeira fotocopiadora completamente automática. Foi chamada de 914 pois ela caitava
papeis com um tamanha de até 9 x 14’’ ( tamanho ofício ). Essa máquina foi bem aceita,
fazendo com que a Haloid ganhasse muito dinheiro.
Chester Carlson, o inventor do processo eletrografico, finalmente desfrutando dos
rendimentos dos seus duros anos de trabalho, desmaiou e faleceu no dia 19 de setembro de
1968 enquanto caminhava na Rua 57th, na cidade de Nova Iorque. Ele havia ganho cerca de
cento e cinqüenta milhões da Xerox, e doado generosamente cem milhões para a caridade.
Muitas empresas surgiram desde então no desenvolvimento de novas tecnologias no ramo das
fotocopiadoras. Atualmente essas máquinas possuem sistemas digitais altamente confiáveis
que permitem a sua utilização até em redes corporativas, funcionando como fotocopiadoras,
impressoras e fax. A tecnologia laser tem papel fundamental nessa nova fotocopiadora, pois é
utilizado para eliminar as cargas elétricas da superfície do fotocondutor. Esse, por sinal, foi
aperfeiçoado, sendo que atualmente são utilizados os cilindros OPC, muito mais seguros e
menos nocivos ao meio ambiente. Mas vale lembrar que , independente de toda a tecnologia,
foi num pequeno quarto de fundos que o Sr. Carlson descobriu o processo que revolucionou o
conceito de cópias.
Teoria Eletrostática
Caminhando sobre um tapete em tempo seco, podemos provocar descarga elétrica ao
tocarmos na maçaneta de uma porta. A “eletricidade estática “ está em toda parte, e devemos
estar atentos aos seus efeitos, pois alguns deles, como faíscas e choques elétricos podem ser
perigosos. Como exemplo podemos citar o relâmpago, que é uma manifestação da natureza e
que representa não mais que simples manifestações da grande quantidade de carga elétrica
que está armazenada nos objetos familiares que nos cercam, inclusive em nossos próprios
corpos. Consideremos então uma experiência muito comum onde, após pentearmos nosso
cabelo com um pente plástico, conseguimos atrair pequenos pedaços de papel ao encontro do
pente. Fenômeno semelhante ocorre se friccionarmos um bastão de vidro com um pedaço de
seda. Concluímos então que esses materiais adquirem nova propriedade que, conforme já dito
acima, chama-se eletricidade. Uma característica interessante é que tal propriedade elétrica
produz uma interação muito mais forte que a gravitacional.
Em primeiro lugar existe apenas uma espécie de interação gravitacional, que consiste
numa atração universal entre duas massas quaisquer. Entretanto existem duas espécies de
interações elétricas. Suponha que colocamos um bastão de vidro eletrizado próximo a uma
pequena bola de cortiça pendurada por um fio. Essa bola será atraída pelo bastão. Se
repetirmos a experiência com um bastão de âmbar eletrizado, observaremos o mesmo efeito
de atração na bola. Contudo, se ambos os bastões atraírem a bola simultaneamente, em vez de
uma atração maior, será observado uma força de atração menor ou mesmo nenhuma atração
na bola. Essas experiências mostram que , apesar de ambos os bastões de vidro e âmbar
atraírem a bola de cortiça, eles o fazem por processos físicos opostos. Quando ambos os
bastões estão presentes ocorrem efeitos opostos, sendo que o primeiro é positivo e o segundo
negativo.
Outra experiência interessante é quando tocamos duas bolas de cortiça com um bastão
de vidro eletrizado. Admitimos que ambas ficam eletrizadas positivamente e, ao colocarmos
uma bola junto a outra elas se repelirão. O mesmo resultado aparece quando realizamos a
experiência com o bastão de âmbar eletrizado, porém as bolas de cortiça irão adquirir carga
negativa. Entretanto, se eletrizarmos uma bola com o bastão de vidro e a outra com o bastão
de âmbar, uma vai adquirir carga positiva e a outra irá adquirir carga negativa. Ao
aproximarmos ambas elas irão atrair-se.
Dois corpos com a mesma espécie de eletrização ( ambos positivos ou negativos )
repelem-se. Se possuírem diferentes tipos de eletrização ( um positivo e outro
negativo ), atraem-se.
Processos de Eletrização
- Eletrização por Atrito: Ao atritar-se dois corpos inicialmente neutros, provoca-se um
contato íntimo e extenso entre partes do corpo, permitindo a troca de elétrons e eletrizando-se
positivamen6te o corpo que cede elétrons e negativamente o corpo que recebe elétrons.
- Eletrização por Contato: Ocorre quando um corpo neutro é colocado em contato com um
corpo eletrizado, pois uma parte da carga do corpo eletrizado passa para o neutro. Como
exemplo citamos as experiências acima descritas com a bola de cortiça que eletriza-se em
contato com o bastão de vidro ( positivamente ) e com o bastão de âmbar ( negativamente ).
- Eletrização por indução: Ao aproximar-se um corpo eletrizado de um condutor inicialmente
neutro, sem que haja contato, criam-se no condutor duas regiões com cargas de sinais
opostos. Isso ocorre pois o condutor possui elétrons livres que podem ser atraídos ou
repelidos pelo corpo inicialmente eletrizado.
Carga Elétrica
Da mesma forma que caracterizamos a intensidade da interação gravitacional
atribuindo a cada corpo uma massa gravitacional, caracterizamos o estado de eletrização de
um corpo definindo massa elétrica, mais comumente chamada carga elétrica, ou
simplesmente carga, representada pelo símbolo q. Desse modo, qualquer porção de matéria
ou qualquer partícula é caracterizada por duas propriedades independentes, porém
fundamentais: carga e massa.
Desde que haja duas espécies de eletrização, há também duas espécies de cargas
elétricas: positiva e negativa. Um corpo que apresenta eletrização positiva tem uma carga
positiva, e um corpo com eletrização negativa tem uma carga elétrica negativa. A carga total
de um corpo é a soma algébrica de suas cargas positivas e negativas. Um corpo tendo
quantidade de cargas positivas e negativas ( carga total zero ) é chamado eletricamente
neutro. Por outro lado, uma partícula tendo uma carga total diferente de zero é
freqüentemente chamada de íon. Como a matéria em conjunto não apresenta forças elétricas
resultantes, podemos admitir que é composta po igual quantidade de cargas positivas e
negativas.
Consideremos a interação elétrica entre duas partículas carregadas em repouso para
um observador em um sistema de referência inercial, ou quando muito movendo-se com uma
velocidade muito pequena; os resultados de tal interação constituem o que se chama de
eletrostática. A interação eletrostática entre duas partículas carregadas é dada pela lei de
Coulomb, assim denominada em honra ao engenheiro francês Charles A. de Coulomb (1736-
1806), que foi o primeiro a formulá-la:
a interação eletrostática entre duas partículas carregadas é proporcional às suas
cargas e ao inverso do quadrado da distância entre elas, e tem a direção da reta que
une as duas cargas.
Matematicamente isso pode ser expresso por:
onde r é a distância entre as duas cargas q e q’ , F é a força que atua sobre qualquer das
cargas, e Ke é igual a 9 x 109 N.m2.C-2 . Por razões práticas e de cálculo é mais conveniente
expressar Ke na forma
onde a constante física ε0 é chamada permissividade de vácuo. Seu valor é:
ε0 = 8,854 x 10-12 N-1.m-2.C2
Condutores e Isolantes
Em princípio é sempre possível deslocar cargas elétricas através de um meio material.
Mas esta possibilidade de movimento varia com a natureza do meio. Meios em que as cargas
elétricas se deslocam com facilidade são chamados condutores. Classificam-se em:
- Condutores Eletrônicos ou de 1º classe: são os metais e o grafite. Nesses corpos os elétrons
periféricos estão fracamente ligados aos átomos, permitindo o fácil transporte de cargas
elétricas ao longo da massa condutora.
- Condutores Iônicos ou de 2º classe: Os típicos condutores desta classe são as soluções
aquosas de ácidos, bases e sais, que também permitem o fácil transporte de cargas elétricas.
- Condutores Gasosos ou de 3º classe: são os gases ionizados, isto é, são gases que por um
procedimento adequado, rompeu-se o equilíbrio elétrico de seus átomos ou moléculas, dando
origem a íons capazes de se locomover com facilidade, transportando cargas elétricas.
Nos corpos onde não existem íons livres em número apreciável não permitem a
condução de cargas elétricas. São os isolantes ou dielétricos. Estão nesse caso o vidro, os
plásticos usuais, a água destilada, a borracha e os óleos minerais.
Os semicondutores, dentre os quais pode-se citar o silício e o germânio, são materiais
que pertencem a uma classe intermediária entre os condutores e os isolantes. Os
semicondutores tem muitas aplicações práticas e promoveram verdadeira revolução na
microeletrônica.
Existe também os supercondutores, assim chamados por não oferecer resistência ao
movimento da carga elétrica através deles. Ou seja, a resistência elétrica é nula e
estabelecendo-se uma corrente elétrica em um anel supercondutor, ele se manterá inalterada
por um longo tempo sem a necessidade de bateria ou qualquer outra fonte de energia. Foi
descoberta em 1911 pelo físico holandês Kammerlingh Onnes.
Existe ainda uma classe de materiais que são os fotocondutores. Esses materiais tem a
capacidade de conduzir corrente elétrica quando incide sobre eles luz, ou não conduzem
corrente quando a luz não incide sobre eles. Isso ocorre devido a variação da resistência
elétrica do material, que faz com que ocorra maior ou menor interferência na passagem da
corrente elétrica. Como exemplo citamos o selênio.
Cilindros Fotocondutores
Existem alguns tipos de materiais fotocondutivos, porém o mais utilizado hoje nas
máquinas fotocopiadoras são os cilindros OPC, que é a abreviatura de fotocondutor orgânico.
O termo "orgânico" indica que o revestimento do fotocondutor foi fabricado de compostos
químicos baseados em carbono, mais especificamente polímeros fotocondutores sintetizados
de matérias primas obtidas através da refinação de fósseis combustíveis como o petróleo. Os
tambores OPC são geralmente considerados os fotorreceptores menos nocivos ao meioambiente
disponíveis atualmente, principalmente porque os seus projetistas e fabricantes
usam deliberadamente matérias primas que não causam danos. Na verdade, todos os materiais
são submetidos a rigorosos testes de segurança antes de serem utilizados na fabricação de
tambores OPC. Isto assegura que os tambores OPC sejam alternativas não prejudiciais ao
meio-ambiente quando comparados a fotorreceptores mais nocivos, como os tambores de
trisseleneto de arsênico (As2Se3) e os de telúrio de selênio (SeTe).
Características físicas dos tambores OPC
Os tambores OPC mais utilizados atualmente nas fotocopiadoras são fabricados para
receber uma carga negativa. Da camada mais interna até a mais externa eles normalmente são
compostos de uma camada de substrato de alumínio, uma sub-camada de revestimento de
base (ou "bloqueamento") (UCL), a camada de geração de carga (CGL) e a camada de
transporte de carga (CTL).
O substrato de alumínio facilita a fotocondutividade em termos físicos e elétricos, mas
não desempenha um papel ativo no processo eletrofotográfico. A sua principal função é
oferecer suporte estrutural e mecânico, e uma boa conexão de aterramento.
A sub-camada de revestimento de base (UCL) funciona como uma interface entre o
substrato e as camadas fotocondutoras, para fornecer adesão e evitar vazamentos indesejáveis
de carga que podem deteriorar a qualidade de cópia. Como o substrato, esta sub-camada não
desempenha um papel ativo no processo eletrofotográfico, mas oferece uma boa conexão de
aterramento. Os materiais mais utilizados para a sub-camada incluem óxido de alumínio,
alumínio anodizado e vários polímeros resistentes.
A camada de geração de carga (CGL) é extremamente fina, com uma espessura típica
que varia de apenas 0,1 mícron até 1,0 mícron. A sua cor, que normalmente determina a cor
do tambor OPC, depende dos materiais específicos que contém. A sensibilidade à luz do CGL
é um fator essencial no desempenho do tambor OPC, e pode ser um fator limitante de
velocidade de cópias na qual o tambor OPC pode funcionar eficientemente.
A camada de transporte de carga (CTL) é a camada externa de um tambor OPC cuja
espessura é de 20 a 30 mícrons. Ela é essencialmente transparente, permitindo que a luz passe
diretamente através da camada de geração de carga. Da mesma forma que a camada de
geração de carga determina basicamente a sensibilidade à luz de um tambor OPC, a camada
de transporte de carga determina sua capacidade de aceitação de carga e velocidade de
transporte de carga. Como esta é a camada mais externa, ela entra em contato com o toner, o
revelador, o papel, a lâmina de limpeza do tambor, o ozônio e outros agentes potencialmente
abrasivos ou contaminantes. Conseqüentemente as características de desgaste desta camada,
sua durabilidade e resistência à abrasão são fatores essenciais no potencial vida útil de um
tambor OPC.
Embora a descrição acima é válida para a maioria dos tambores OPC usados
atualmente, existem alguns tipos de tambores OPC de carga positiva, com uma camada de
geração de carga e uma camada de transporte de carga combinadas. Eles são chamados de
tambores OPC "de camada única". Como esta camada única determina todas as
características elétricas e físicas do revestimento (inclusive aceitação de carga,
fotossensibilidade e resistência ao desgaste) ela deve ser formulada e fabricada com extrema
precisão. Os tambores OPC de carga positiva normalmente têm vida útil mais curta do que os
tambores OPC "padrão", pois a sua camada única, cuja composição inclui materiais "mais
macios" normalmente restritos à camada de geração de carga, é menos resistente à abrasão.
Vantagens da tecnologia de fotocondutores orgânicos
Há muitas razões significativas para a indústria de equipamento de escritório estar
adotando com relativa rapidez a tecnologia dos tambores OPC. Em primeiro lugar os avanços
nos materiais de revestimento e tecnologia de fabricação tornaram possível a fabricação de
tambores OPC mais sensíveis à luz e mais duráveis, adequado-os a uma ampla variedade de
aplicações, tais como copiadoras de alta velocidade (75 cpm ou mais). Os tambores OPC
utilizados na maioria das máquinas mais recentes de segmento 3, 4, e 5 fornecem níveis de
qualidade de cópias e uma duração de vida útil anteriormente alcançadas apenas com os
tambores de trisseleneto de arsênico (As2Se3).
As crescentes preocupações com o meio-ambiente também constituem um fator
importante na adoção da tecnologia do tambor. Esta conscientização global levou a uma
expansão e intensificação das restrições legais sobre o procedimento de descarte de
fotorreceptores de sulfeto de cádmio (CdS) ou os de selênio (As2Se3 e SeTe). Os tambores
OPC, não classificados como dejetos perigosos, são a alternativa mais conveniente
disponível.
Outro motivo para os fabricantes preferirem a tecnologia OPC é que o seu processo de
fabricação é muito mais econômico e rápido do que o processo de fabricação dos
fotorreceptores de selênio. O método mais comum de fabricação dos tambores OPC é o
mergulho na substância de revestimento. Este é um processo "contínuo", enquanto que o
processo de deposição de vapor usado para fabricar tambores de selênio ou de silicone
amorfo (a-Si) é um processo de "lote", isto é, requer a colocação seqüencial de lotes de
tambores em câmaras de vácuo, para formar as diversas camadas de revestimento. Esta
diferença fundamental no processo de fabricação contribui para diminuir os custos dos
tambores OPC.
Devido a todas estas importantes vantagens, assim como à continuação do uso de
fotocondutores orgânicos em impressoras a laser e outras aplicações digitais (inclusive
copiadoras digitais), a tecnologia de revestimento de fotocondutores orgânicos continuará a
ser amplamente usada. Como conseqüência, a pesquisa e o desenvolvimento desta tecnologia
continuarão a constituir uma alta prioridade na indústria de equipamento de escritório.
Teoria Da Máquina Fotocopiadora
O processo de xerografia ( XERO = seco GRAFIA = escrita) tem sua principal
característica centrada na utilização de cargas elétricas para a obtenção das cópias. Ou seja, o
processo não usa papel umedecido e nem substâncias líquidas. Um importante componente
nesse processo é o cilindro fotocondutor, pois é ele que tem a propriedade de tornar-se
condutor na presença de luz, e semi-condutor na ausência da luz. Sua estrutura possui uma
base de alumínio, ou material condutor, e uma camada externa do material fotocondutivo.
Podemos considerar o cilindro fotocondutor o coração do equipamento, pois sem ele o
processo eletrográfico das copiadoras atuais não ocorreriam.
Para que possamos explicá-la de uma forma mais didática, a máquina foi dividida em
seis blocos:
1. Exposição de carga eletrostática primária;
2. Sistema Óptico e exposição da imagem;
3. Revelação ( exposição da tinta ou toner );
4. Exposição de carga eletrostática de transferência;
5. Fixação da tinta ou toner no papel;
6. Limpeza do cilindro fotocondutor e exposição de pré-condicionamento.
Processo Básico da Fotocopiadora
Exposição de Carga Eletrostática Primária
Junto ao cilindro fotocondutor é colocado um fio muito fino de material condutor com
a finalidade de carregá-lo eletrostaticamente. Uma tensão DC muito alta, da ordem de -600V,
é aplicada no fio. Como ele está próximo do cilindro e este está no escuro (torna-se semicondutivo,
ou seja, aumenta a resistência elétrica do material ), essa tensão vai gerar cargas
elétricas que irão carregar toda a área do cilindro fotocondutor. Dessa forma , a superfície do
cilindro passará a ter uma camada uniforme de cargas negativas.
Sistema Óptico e Exposição de Imagem
O original é iluminado. Suas áreas brancas, ao serem atingidas pelos raios de luz, tem
a propriedade de refleti-los, o que não ocorre com as áreas onde há imagem. Um sistema de
lentes e espelhos se encarrega de "transportar" a imagem até o cilindro, onde a imagem do
documento é projetada. Devido a sua propriedade fotocondutora, ocorre no cilindro o que
chamamos de formação de imagem latente: nas áreas onde há imagens não há luz e o cilindro
permanece como isolante, retendo as cargas elétricas; já nas áreas onde ocorre a exposição da
luz o cilindro torna-se condutor, perdendo as cargas elétricas que antes estavam nesses locais.
Vale salientar que a base metálica do cilindro está ligado ao “terra”, e é dessa forma que as
cargas elétricas são eliminadas: na área onde ocorre a exposição pela luz (sem imagem ) as
cargas fluem para o terra; nas áreas onde não ocorre a exposição pela luz ( imagem do
original ) ocorre a retenção das cargas devido à alta resistência existente.
Revelação ( Exposição da Tinta ou Toner )
O passo seguinte após a formação da imagem latente sobre o cilindro fotocondutor é a
revelação da imagem, que será realizada utilizando-se o toner o qual é composto por
magnetita e por uma resina plástica, e possui carga total positiva. Ele fica depositado num
recipiente que chamamos de unidade de revelação. Nessa unidade é aplicada uma alta tensão
que, diferentemente da unidade de carga primária, é alternada. O principal motivo para a
utilização da alta tensão alternada é para que seja retirado o excesso de toner do cilindro
fotocondutor.
O toner será atraído para os locais onde não existiu a exposição de luz sobre o cilindro
fotocondutor. Essa atração ocorre devido a diferença de potencial existente entre as cargas do
cilindro, entre a carga aplicada na unidade de revelação e entre a carga do toner. Na unidade
de revelação existem quatro componentes básicos: o toner, o revelador ( limalha de ferro ),
um cilindro metálico com um imã permanente interno, e uma lâmina magnética. O toner e o
revelador ficam misturados em proporções iguais. Através do atrito com o cilindro metálico,
o revelador é carregado com um potencial negativo e o toner é carregado com um potencial
positivo. O imã interno do cilindro metálico gera um campo magnético que, em conjunto com
a lâmina magnética, faz com que o revelador seja atraído para essa interface e cria uma
camada fina e uniforme de toner sobre o cilindro metálico.
No cilindro metálico e na lâmina é aplicada uma alta tensão que possui componentes
AC e DC (componente negativo). Como as tensões AC e DC são aplicadas ao mesmo tempo,
a forma de onda resultante da tensão aplicada na unidade de revelação possui um componente
negativo maior que o componente positivo. Assim, quando a onda está no ciclo positivo o
toner, que está carregado positivamente, será repelido pelo cilindro metálico da unidade de
revelação e será atraído pelo potencial negativo na superfície do cilindro fotocondutor. Em
contrapartida, quando passa pelo ciclo negativo, o cilindro metálico atrairá as partículas de
toner que estão fracamente ligadas com o cilindro fotocondutor, retirando o excesso. A tensão
DC da unidade de revelação varia de -450 VDC até -80VDC. A tensão AC é da ordem de
1300VAC e com uma freqüência da ordem de 1KHz. Após esse processo, a imagem sobre o
cilindro fotocondutor é chamada de imagem revelada.
Exposição de Carga Eletrostática de Transferência
Agora a imagem revelada existente no cilindro fotocondutor deverá ser transferida
para o papel cópia. É utilizado nesse ponto também um fio bem fino de material condutor,
que é colocado num bloco chamado Bloco de Transferência. Nesse fio será aplicado uma alta
tensão contínua da ordem de -5KVDC. Ocorre então que o papel será apanhado na bandeja de
alimentação de papéis e irá passar entre o tambor fotocondutor e o bloco responsável pela
transferência. Como o potencial negativo do Bloco de Transferência é bem maior que o
potencial negativo da superfície do cilindro fotocondutor então o toner, cuja carga é positiva,
será atraído para o papel.
Fixação da Tinta ou Toner ao Papel
Após a transferência do toner a fixação no papel é o próximo passo. Essa etapa é
importante pois como o toner é um componente seco, ele apenas foi depositado sobre o papel
pela diferença dos potenciais indicados acima. Sua fixação é feita por dois métodos:
temperatura e pressão. Assim, após a transferência, o papel é levado até a unidade de fixação
onde um conjunto de rolos são responsáveis pela fixação do toner. Um desses rolos é de
teflon e é aplicado à ele, por uma lâmpada interna de 900 W, uma temperatura em torno de
190 ºC . Em contato com esse rolo existe outro de borracha especial que é responsável por
pressionar o toner no papel. Está pronta nossa cópia.
Limpeza do Cilindro Fotocondutor e Exposição de Pré-Condicionamento
Nesse processo nem todo o toner é transferido para o papel. Isso fica evidente se
analisarmos que o processo baseia-se em cargas eletrostáticas e diferenças de potenciais,
pontos que podem ser influenciados por uma série de fatores como temperatura e umidade.
Assim, o toner residual na superfície do cilindro fotocondutor é raspado por uma lâmina de
borracha e depositado numa unidade reservada para esse fim. Essa é a limpeza física do
cilindro. Após, existe o que se chama de exposição de pré-condicionamento, que é uma
limpeza elétrica do cilindro. Isso é feito expondo toda a superfície do cilindro à luz. Todas as
cargas restantes na superfície do cilindro do ciclo de cópia anterior são eliminadas, fazendo
com que o cilindro fotocondutor esteja preparado para um novo ciclo de cópia descrito acima.
Montagem Experimental e Materiais Utilizados
Foi montado um protótipo para representar o processo xerográfico descrito acima e
para utilizá-lo na explicação da teoria eletrostática num curso de ensino médio. Sua
confecção foi um pouco demorada pois muitas adaptações foram feitas. Nesse protótipo foi
utilizado alguns componentes de máquinas fotocopiadoras da marca Canon. São eles:
- Fonte de Alta Tensão da Fotocopiadora Canon, modelo NP2120;
- Fonte de Baixa Tensão da Fotocopiadora Canon, modelo NP2120;
- Cilindro Fotocondutor da Fotocopiadora Colorida, Canon modelo CLC700;
- Unidade de Carga Primária da Fotocopiadora Canon, modelo NP2120.
Abaixo está um desenho esquemático do protótipo em questão:
Consiste numa base de madeira onde foi colocado duas laterais para a montagem do
cilindro fotocondutor. Para fixá-lo utilizou-se duas rodas de madeira que foram colocadas nas
extremidades e um eixo metálico, com rosca para fixação das rodas, ao longo do cilindro. Foi
adaptada uma manivela na extremidade do eixo para que o cilindro fotocondutor pudesse ser
girado.
Foi adaptado próximo ao cilindro fotocondutor o bloco de carga primária, sendo
ligado a ele a fonte de alta tensão responsável por gerar a voltagem necessária ao processo.
Outra finalidade do eixo metálico, além de fixação, é de gerar o ponto de conexão terra. A
fonte de baixa tensão é responsável por gerar +24 VDC, que é responsável por alimentar a
fonte de alta tensão, e +5 VDC, que é utilizada para enviar o sinal de acionamento da alta
tensão utilizada. Uma lâmpada incandescente foi adaptada para que o cilindro fotocondutor
fosse iluminado. Utilizou-se também 3 chaves que são utilizadas para:
- Ligar / Desligar o protótipo ( CH1 );
- Ligar / Desligar iluminação artificial ( luz incandescente / CH2 );
- Ligar / Desligar acionamento de alta tensão ( CH3 ).
Um ponto importante das máquinas fotocopiadoras e do projeto aqui realizado é com
relação à conexão terra, pois sem ela as cargas não seriam eliminadas quando ocorresse a
situação de iluminação. Utilizou-se uma pequena chapa de metal para fazer a conexão junto
ao eixo central do cilindro fotocondutor. Como muitas tomadas atualmente são desprovidas
da conexão terra, foi improvisada uma ligação do terra com o neutro da tomada. Assim, o
primeiro procedimento a ser feito para ligar o protótipo é descobrir qual é a conexão neutro
na tomada. No protótipo foi indicado na tomada qual é o pino que deverá ser ligado no fase e
qual deverá ser ligado no neutro. O aparelho funciona em 110VAC, não podendo o mesmo
ser ligado em 220VAC pois poderá ocorrer a sua queima. Abaixo temos uma figura das
ligações elétricas:
Foi colocado no lado oposto ao bloco de carga primário uma base de madeira com
uma chapa de alumínio sobre ela, com a finalidade de se colocar os materiais a serem atraídos
para o tambor fotocondutor. À chapa de alumínio foi ligado uma conexão de alta tensão para
que os materiais adquirissem cargas e pudessem ser atraídos. Alguns teste foram realizados
sem essa chapa de alumínio e foi constatado que os materiais não foram atraídos ao tambor
fotocondutor. Para essa conexão foi utilizada uma alta tensão AC, que é gerada pela placa, da
ordem de 1300VAC. Assim quando estamos na situação de muita luz, ou seja, com a
lâmpada incandescente ligada, quase toda a tensão do bloco de carga primário fluirá para o
terra, e o material não será atraído para o tambor fotocondutor. Na situação de pouca luz, ou
seja, com a lâmpada incandescente desligada, o material deverá ser atraído para o tambor
fotocondutor. Testes foram realizados com diversos materiais como pó de grafite, toner,
glitter, pedaços de papel, palha de aço moída e pequenas esferas de plástico. Os testes serão
relatados no item resultados obtidos
Abaixo está descrito os materiais utilizados:
- 1 chapa de madeira de 47,5 x 72,5 cm;
- 2 chapas de madeira de 23,5 x 34,5 cm;
- 4 ripas de madeira de 6,0 x 37,0 cm;
- 2 rodas de madeira de diâmetro 18,7cm;
- Eixo metálico com rosca;
- 1 lâmpada incandescente de 60 W;
- 3 chaves Liga/Desliga;
- 1 chapa de alumínio de 12,5 x 4,5 cm;
- 1 caixa de papelão de 47,5 x 31,5 x 58,5 cm;
- Fios elétricos, Parafusos de diversos tamanhos, pregos, etc.
Além desses materiais relacionados, foram utilizados os componentes das máquinas
fotocopiadoras relacionados mais acima.
Funcionamento e Resultados Obtidos
Conforme já mencionado, o projeto baseia-se principalmente no funcionamento do
Cilindro Fotocondutivo: com a caixa selada, será ligada a lâmpada incandescente ( CH3 )para
que as cargas residuais sejam eliminadas do cilindro. Após, será ligada a chave CH2 para que
seja aplicada a alta tensão no bloco de carga primário e este, por conseqüência, irá carregar o
tambor com um potencial eletrostático. A tensão da carga primária está em torno de -
500VDC. Utilizando uma manivela acoplada em seu eixo central, o cilindro será girado para
que toda sua superfície seja carregada eletrostaticamente. Será retirada a caixa e constatado se
ocorreu ou não a atração do material pelo cilindro fotocondutor. Após isso a lâmpada
incandescente será desligada para que possamos obter sobre o cilindro fotocondutor uma área
escura e será aplicado novamente uma alta tensão no bloco de carga primária. Girando o
cilindro essa atração do material pelo cilindro fotocondutor deverá ocorrer. Vale lembrar
novamente que o processo deve ocorrer sempre numa caixa selada, ou seja, a única luz dentro
da caixa deverá ser a da luz incandescente. O processo será visualizado após a retirada da
caixa de papelão.
Após a montagem física do aparelho foi iniciado diversos testes para a obtenção de
materiais que pudessem ser atraídos para o cilindro. O primeiro teste consistiu em utilizar
materiais plásticos, como o glitter e pequenas esferas. Os resultados não foram positivos pois
os materiais não foram atraídos. Foram testados ainda o grafite, o papel, e o próprio toner
utilizado nas máquinas de fotocópias, sem que qualquer resultado positivo pudesse ser
observado.
Utilizando então um multímetro foi medida a tensão na chapa que faz a conexão terra.
Isso foi feito para que pudéssemos medir a tensão que estava fluindo para o terra na situação
de pouca luz e de muita luz. Obtivemos as seguintes medidas:
Tensão na conexão terra
Escuro -36 VDC
Muita Luz -450 VDC
Luz Ambiente -280 VDC
De acordo com essas medidas obtidas observamos que o princípio do material
fotocondutor havia sido provado e seu funcionamento estava correto. Ou seja, na situação de
pouca luz o material fotocondutivo apresenta uma certa resistência elétrica, fazendo com que
uma parte da tensão aplicada pelo bloco primário flua para o terra e outra parte esteja
aplicada sobre o cilindro, carregando-o. Já na situação de muita luz ocorre a diminuição da
resistência elétrica do material fotocondutor, fazendo com que se torne mais condutivo. Dessa
forma observamos uma tensão bem elevada no eixo central, pois quase toda a tensão aplicada
sobre o cilindro esta fluindo para o terra.
Porém os testes em que os materiais deveriam ser atraídos não foram positivos. Após
algumas pesquisas foi concluído que havia a necessidade de se adaptar no projeto uma
pequena placa de alumínio sobre a base de madeira onde se coloca o material a ser atraído, e
aplicado nessa chapa uma alta tensão que será transmitida para o material para que também
esteja carregado eletrostaticamente. Isso porque foi observado que nas máquinas de fotocópia
existe um componente, já relatado no item Teoria da Máquina Fotocopiadora, que chama-se
Unidade de Revelação. É nessa unidade que o toner é depositado e existe aplicado a ela uma
tensão AC e uma DC simultaneamente. É devido a essa tensão que o toner será mandado da
unidade de revelação para a superfície do cilindro fotocondutor.
Após a adaptação da chapa e sua ligação com uma alta tensão AC/DC, foram
realizados novos testes. Assim obteve-se os seguintes resultados para a situação de lâmpada
apagada:
Material Utilizado Resultado
Grafite Atraiu
Toner Não Atraiu
Palha de Aço Atraiu
Esferas de Plástico Não Atraiu
Glitter Não Atraiu
Papel Não Atraiu
Para a situação de lâmpada acesa obteve-se os seguinte resultados:
Material Utilizado Resultado
Grafite Algumas partículas foram atraídas
Toner Não Atraiu
Palha de Aço Algumas partículas foram atraídas
Esferas de Plástico Não Atraiu
Glitter Não Atraiu
Papel Não Atraiu
Analisando esses dados concluiu-se que apenas materiais condutivos foram atraídos.
Isso ocorreu porque os materiais foram apenas depositados sobre a chapa metálica, não
ocorrendo nenhuma interação física entre eles que pudesse gerar cargas eletrostáticas. Como
exemplo citamos o próprio toner dentro da unidade de revelação numa máquina copiadora.
Originalmente o toner possui propriedade isolante, porém atritando-se mutuamente e com o
cilindro metálico da unidade de revelação adquire carga positiva, ficando apto a ser atraído
para o cilindro fotocondutor. Em nossa aplicação, o toner não foi atritado, mantendo sua
propriedade isolante e não adquirindo carga nenhuma. Já no caso da grafite, como é uma
material que conduz corrente elétrica, a aplicação da alta tensão foi uniforme ao longo
material depositado sobre a chapa.
Adotou-se então o grafite como material perfeito para a utilização em nossa aplicação
didática. Foram realizados ainda alguns testes com relação a se tentar criar uma imagem
qualquer no cilindro fotocondutor, utilizando-se áreas claras e escuras que iriam atrair ou não
o grafite depositado sobre a chapa. Foi colocado sobre a lâmpada um anteparo para que
obtivéssemos uma área escura no cilindro fotocondutor. Após alguns testes, observamos que
não ocorreu a formação dessa imagem. Concluímos que é devido a dois fatores: o primeiro é
que as partículas de grafite são maiores que as partículas de toner, fazendo com que a
definição de uma imagem não seja clara; e outro ponto é que o grafite possui condutividade
muito melhor que o toner, mesmo este estando na condição de carga positiva. Isso faz com
que mesmo que a lâmpada esteja acesa o cilindro não se descarrega totalmente, e qualquer
pequena quantidade de carga na superfície do cilindro irá atrair o pó de grafite. É por isso que
obtemos na situação de luz acesa alguma atração do pó de grafite pelo cilindro fotocondutor.
Seguindo o raciocínio anterior, foi realizado um teste com a lâmpada apagada mas
com a caixa aberta. Ou seja, com a aplicação de luz externa. Como a superfície do tambor
não se descarregou totalmente ocorreu a atração do pó de grafite pelo cilindro fotocondutor,
porém em menor quantidade.
Concluímos então que o protótipo montado pode ser utilizado para a simulação do
funcionamento da máquina fotocopiadora ( utilizando-se a caixa lacrada ), e para a
visualização da atração eletrostática entre corpos ( utilizando-se a caixa aberta ).
Muitos conceitos de eletricidade podem ser explorados com esse projeto como cargas
elétricas, Potencial eletrostático, corrente elétrica, tensão AC e tensão DC, resistência
elétrica, conexão terra, materiais condutivos e semicondutivos, etc, ficando a cargo de um
professor sua melhor forma de aplicação.
Ainda sobre o protótipo, algumas melhorias podem ser feitas como a implementação
de uma unidade de revelação ao invés da utilização da placa metálica. Ou mesmo a
implementação de um medidor para a obtenção da tensão que está fluindo para a conexão
terra.
Introdução
Entre em qualquer escritório e você provavelmente vai encontrar uma máquina copiadora. Para a maioria das empresas, pequenas ou grandes, a copiadora se tornou um equipamento padrão, como uma mesa e uma cadeira.
Uma copiadora típica da Xerox
E se você tivesse que voltar a fazer cópias de documentos importantes em carbono, como muitas pessoas faziam antes das copiadoras serem inventadas? Ou pior, imagine o tédio que seria se você tivesse que refazer cópias de tudo à mão! A maioria de nós não pensa no que acontece dentro de uma copiadora enquanto esperamos que as cópias saiam na bandeja, mas é incrível imaginar que, em poucos segundos, você pode produzir uma réplica exata do que está em uma folha de papel. Neste artigo, falaremos sobre o que acontece depois que você aperta o botão "Start" em uma máquina copiadora.
Princípios básicos
Para a pessoa que vai fazer a cópia, estes são o passos:
•levantar a tampa da copiadora
•colocar o documento original virado para baixo sobre o vidro
•selecionar as opções desejadas (número de páginas, ampliações, mais claro/mais escuro)
•apertar o botão Start
O que acontece dentro da copiadora neste momento é incrível. Uma copiadora funciona devido a um princípio básico da física: cargas opostas se atraem.
Quando criança, você provavelmente brincou com eletricidade estática e bexigas. Em um dia seco de inverno, ao esfregar uma bexiga em uma blusa de lã, cria-se eletricidade estática suficiente na bexiga para criar força perceptível. Por exemplo, uma bexiga carregada com eletricidade estática atrai pequenos pedaços de papel ou partículas de açúcar com facilidade.
A copiadora usa um processo semelhante:
•dentro da copiadora existe um cilindro especial. O cilindro funciona como uma bexiga - você pode carregá-lo com um tipo de eletricidade estática;
•dentro da copiadora existe também um pó preto muito fino chamado de toner. O cilindro, carregado com eletricidade estática, pode atrair as partículas do toner.
Há três coisas no cilindro e no toner que permitem que a copiadora faça sua mágica:
•o cilindro pode ser carregado de maneira seletiva, em que apenas algumas partes dele atraiam o toner. Em uma copiadora, você faz uma "imagem" - em eletricidade estática - na superfície do cilindro. Onde a folha de papel original é preta, você cria eletricidade estática no cilindro. Onde é branca, não. É necessário que as áreas brancas do papel original NÃO atraiam toner. A maneira seletiva como isto é feito em uma copiadora é através da luz - por isso o nome de fotocópia;
•o toner tem que grudar no cilindro e depois no papel. O cilindro atrai toner de forma seletiva, então a folha de papel é carregada com eletricidade estática e atrai o toner do cilindro;
•o toner é sensível ao calor, então as partículas soltas de toner grudam (fundem-se) no papel com o calor assim que se soltam do cilindro.
O cilindro, ou correia, é feito de material fotocondutor. As etapas envolvidas no processo de fazer uma cópia são:
•a superfície do cilindro é carregada;
•um feixe intenso de luz se move pelo papel que você colocou na superfície de vidro da copiadora. A luz reflete nas áreas brancas do papel e chega até o cilindro abaixo dela;
•no lugar que um fóton de luz atingir, elétrons serão emitidos dos átomos fotocondutores no cilindro e neutralizarão as cargas positivas acima. Áreas escuras no original (como figuras ou texto) não refletem luz para o cilindro, deixando regiões com cargas positivas na superfície do cilindro;
•um pigmento preto seco e com carga negativa, chamado toner, é esparramado na superfície do cilindro e as partículas de pigmento aderem às cargas positivas;
•uma folha de papel com carga positiva passa, em seguida, pela superfície do cilindro, atraindo as bolinhas de toner e fazendo com que elas desgrudem do cilindro;
•o papel é aquecido e pressionado para fundir a imagem formada pelo toner na sua superfície.
Quando a copiadora ilumina a folha de papel que está na superfície de vidro, um modelo da imagem é projetado no cilindro de fusão carregado com carga positiva. A luz que reflete das áreas em branco da página atinge o cilindro e neutraliza as partículas carregadas que cobrem a sua superfície. Assim a carga positiva permanece somente onde houver áreas escuras no papel e que não refletiram a luz. Estas cargas positivas atraem o toner, que está com carga negativa. O toner é transferido e fundido a uma folha de papel com carga positiva.
A copiadora por dentro
Se você abrir uma máquina copiadora, vai ficar confuso com a quantidade de peças diferentes. No entanto, o processo da fotocópia em si depende de apenas algumas peças importantes:
•cilindro fotorreceptor (ou correia)
•fios corona
•lâmpada e lente
•toner
•fusor
Cilindro fotorreceptor
O cilindro fotorreceptor (ou correia) é o coração do sistema. Um cilindro é basicamente um rolo de metal coberto por uma camada de material fotocondutor. Esta camada é feita de um semicondutor, como o selênio, o germânio ou o silicone. O interessante em elementos como o selênio é que eles podem conduzir eletricidade em alguns casos, mas não em outros. No escuro, a camada fotocondutora do cilindro funciona como um isolante, resistindo à corrente de elétrons de um átomo para outro. Mas quando a camada é atingida por luz, a energia dos fótons libera elétrons e permite que a corrente passe. Esses elétrons liberados neutralizam a carga positiva que cobre o cilindro para formar a imagem ainda invisível.
Vários cilindros de copiadoras
É fácil imaginar como projetar a cópia de uma imagem em uma esteira fotorreceptora que tem praticamente as mesmas dimensões da folha de papel que contém a imagem. O problema é quando tentamos imaginar a mesma coisa, mas em um cilindro fino. Como a área da superfície do cilindro pode ser compatível com o tamanho de uma folha de papel? A solução é simplesmente rodar o cilindro enquanto você faz a cópia. Se você rodar o cilindro de forma síncrona com o movimento do feixe de luz que passa pelo documento original, pode formar a imagem tira por tira. Depois que uma tira de luz foca uma parte do cilindro, ele roda para expor uma área nova do fotocondutor. Enquanto isso, a parte previamente exposta do cilindro entra em contato com o toner e depois com o papel.
Como o comprimento de uma pagina padrão é muito maior do que a circunferência do cilindro em uma copiadora moderna, uma rotação completa do cilindro replica somente um pedaço pequeno da página. O cilindro na realidade tem que ser limpo, recarregado com íons, exposto a fótons e pulverizado com toner várias vezes para duplicar o original completo. Para quem observa, o processo parece contínuo, pois é milimetricamente coordenado dentro da máquina à medida que o cilindro roda.
Fios corona
Um destes fios é esticado paralelamente à superfície do cilindro e carrega a superfície fotocondutora com íons positivos. O outro fio é posicionado para cobrir a superfície do papel quando ele está a caminho do cilindro.
Lâmpada e lentes
Fazer uma fotocópia requer uma fonte de luz com energia suficiente para fazer os elétrons saírem dos átomos fotocondutores. Que ondas de luz podem fazer isso? A maior parte do espectro visível de luz contém energia suficiente para conduzir o processo, principalmente a parte verde e azul do espectro. Qualquer coisa abaixo da porção vermelha do espectro visível não tem força suficiente para ativar o fotocondutor. E, apesar da luz ultra-violeta ser mais eficiente para fazer uma fotocópia, ela pode ser muito nociva para os olhos e pele. É por isso que as copiadoras usam uma lâmpada fluorescente ou incandescente comum para jogar luz no documento original
Quando a lâmpada é acesa, ela se move dentro da copiadora, iluminando uma tira de papel de cada vez. Um espelho preso ao conjunto da lâmpada direciona a luz refletida através de uma lente para o cilindro rotativo abaixo dela. A lente trabalha como uma lente de máquina fotográfica. Permite que você foque uma cópia da imagem em um lugar específico. Apesar de você não poder focar a imagem em uma copiadora para fazer o produto final ficar mais ou menos borrado, você pode mudar a distância entre a lente e o original ou entre a lente e o cilindro para reduzir ou ampliar o tamanho da imagem original na cópia.
Toner
O toner às vezes é chamado de tinta seca, mas o toner na verdade não é tinta. Tinta é um pigmento líquido. O toner é um pó fino com carga negativa e à base de plástico. A cor preta do toner vem de pigmentos misturados às partículas de plástico durante a sua fabricação.
coberta de partículas de toner
Na copiadora, o toner fica preso em esferas maiores, com carga positiva, e armazenado dentro de um cartucho. Quando as esferas cobertas de toner rolam sobre o cilindro, as partículas de toner acham os íons, com carga positiva nas áreas que não foram expostas na superfície do cilindro, mais atraentes do que a esfera com carga mais fraca. Em seguida, as mesmas partículas são ainda mais atraídas pelo papel com carga estática. O plástico no toner evita que ele se solte do papel; para isto, basta aplicar calor ao toner e as partículas derretem e fundem o pigmento ao papel.
O fusor
O fusor dá o acabamento que torna permanente a imagem feita de toner no papel. O fusor tem que executar duas funções:
•derreter e pressionar a imagem de toner no papel
•evitar que o toner derretido e/ou o papel grudem no fusor
Para estas tarefas, bastam lâmpadas de quartzo e rolos revestidos de Teflon. A folha de papel passa entre dois rolos. Os rolos pressionam a página para fazer o toner penetrar na fibra do papel. Enquanto isso, dentro dos rolos, as lâmpadas estão acesas, gerando calor suficiente para derreter o toner. Por que o toner não derrete e gruda nos rolos? Do mesmo jeito que revestimentos anti-aderentes evitam que a comida grude no fundo da panela, o revestimento de Teflon dos rolos não deixa o toner nem o papel grudarem neles.
Juntando todas as peças
Em uma copiadora, a condutividade induzida por luz do cilindro é explorada para criar uma imagem invisível em forma de cargas elétricas na superfície do cilindro. Esta imagem torna-se visível e é transferida para o papel usando um toner especial, com carga. Veja a seqüência abaixo para saber como tudo se encaixa.
1.Para a copiadora fazer sua mágica, a superfície do material fotocondutor deve primeiro ser revestida por uma camada de íons com carga positiva, o que é feito pelo fio corona.
2.Quando você aperta o botão "Start", uma lâmpada forte se move dentro da copiadora, lança luz sobre o papel que você está copiando e o cilindro começa a rodar. Conforme a luz reflete nas áreas brancas do papel, espelhos a direcionam para a superfície do cilindro. Da mesma maneira que roupas escuras em um dia de sol, as áreas escuras do original absorvem a luz, e as áreas correspondentes na superfície do cilindro não são iluminadas.
3.Nos lugares em que a luz atinge o cilindro, a energia dos fótons faz os elétrons saírem dos átomos fotocondutores.
4.Os opostos se atraem - os íons com carga positiva que revestem a camada fotocondutora atraem os elétrons liberados. A união de um íon e um elétron produz uma partícula neutra. Partículas carregadas permanecem somente onde a luz não atingiu o cilindro porque ela não foi refletida do original - os espaços escuros ocupados por texto e figuras na página.
Esta parte do processo lembra a forma como a máquina fotográfica tira uma foto. Se você já leu Como funciona o filme fotográfico, sabe que quando o filme é exposto à luz, a energia dos fótons causa mudanças químicas nos grãos de haleto de prata que revestem o filme. Isto cria uma imagem negativa daquilo que você vê pelo visor. Na copiadora, no entanto, você tem uma imagem real criada a partir de um padrão de cargas positivas que ficaram após a exposição à luz. E, enquanto você precisa revelar um filme usando processos químicos e imprimi-lo em papel fotográfico fotossensível, a copiadora produz uma imagem visível apenas com tinta seca, calor e papel comum.
5.Tensão é aplicada ao núcleo de alumínio do cilindro. Como a luz torna o selênio condutor, a corrente pode fluir pela camada fotocondutora enquanto o cilindro é iluminado e os elétrons liberados pelos átomos são rapidamente substituídos pelos elétrons que formam a corrente que flui através do cilindro.
6.As áreas expostas do cilindro passam por rolos cobertos de esferas de toner. Minúsculas partículas de toner são pressionadas contra a superfície do cilindro. As partículas de toner à base de plástico têm carga negativa e são atraídas às áreas com carga positiva que permanecem na superfície do cilindro.
7.O fio corona passa sobre uma folha de papel para que sua superfície receba carga elétrica.
8.A área do cilindro que recebeu o toner gira e entra em contato com a folha de papel com carga positiva. O campo elétrico que envolve o papel exerce uma atração maior do que os íons que revestem a superfície do cilindro e as partículas de toner grudam no papel conforme o cilindro passa por ele.
9.Quando o original foi inteiramente copiado em toner na página, o papel segue em frente até o fusor. A fraca atração entre as partículas de toner e a superfície da folha de papel pode ser facilmente interrompida. Para fixar a imagem de toner na superfície do papel, a folha inteira passa pelos rolos aquecidos do fusor. O calor derrete o material plástico no toner e funde o pigmento na página.
Quando você pega a cópia na bandeja, a copiadora já se preparou para a próxima rodada ao limpar a superfície do cilindro e aplicar uma nova camada de íons com carga positiva nele.
