Produzindo
energia elétrica
Prof. Luiz Ferraz
Netto
leobarretos@uol.com.br
Pilha
de Volta
A pilha de Volta, ou pilha
voltaica, de Alessandro Volta,
foi a primeira fonte de tensão elétrica capaz de garantir uma
corrente elétrica permanente num circuito.
Ele
notou, em 1798, que duas tiras de metais diferentes colocadas em uma
solução ácida, desenvolve entre elas uma tensão elétrica. Se um
condutor é ligado a essas duas tiras haverá, através dele, uma
passagem de elétrons. Vejamos a reconstituição da descoberta da
pilha voltaica, em termos atuais.
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A pilha
de Volta é um gerador eletroquímico. |
Experimento:
Em um recipiente contendo água coloca-se pequena quantidade
de ácido clorídrico (um composto de hidrogênio e de cloro). Quando
se põe o ácido clorídrico em água, ele se decompõe em H+
e Cl-. Esta solução iônica recebe a denominação de eletrólito.
Mergulham-se nessa solução uma tira de cobre e uma de zinco.
Ligam-se estas tiras, com pedaços de fios de cobre, a um amperímetro.
O instrumento acusará a passagem de uma corrente elétrica, mais
especificamente, elétrons do zinco para o cobre. Entre
dois condutores de materiais distintos, mergulhados em um eletrólito,
aparece uma tensão elétrica contínua --- efeito Volta.
Podem-se
usar praticamente quaisquer dois metais diferentes para construir
esta pilha; pode-se mesmo usar de um bastão de carvão no lugar da
tira de cobre. As pilhas de lanternas atuais são versões
melhoradas da pilha de Volta.
Como
acontece isso? (clique)
Pilha
termoelétrica
No século XVIII, o
inventor da pilha voltaica, Alessandro Volta,
descobriu um fenômeno curioso. Verificou que, se dois metais
diferentes forem postos em contato, um com o outro, um dos metais
fica ligeiramente negativo e o outro ligeiramente positivo.
Em
outras palavras, estabelece-se entre eles uma diferença de
potencial, uma tensão elétrica. Chama-se a isso de potencial
de contato (clique).
Em
1822, o físico alemão T.J. Seebeck,
aproveitando as idéias de Volta a respeito do efeito da temperatura
sobre o potencial de contato, construiu o par termoelétrico, que
consiste em duas tiras de metais diferentes, unidas (torcidas) em uma
das extremidades.
No par
termoelétrico, aquecendo-se a junção, produz-se
uma tensão elétrica. |
Experimento:
Una, por um de seus extremos, um fio de cobre (sem o verniz) e
um fio de constantan ou de ferro, por exemplo, retorcendo-os ou
soldando-os. Ligue os extremos livres desse par de fios distintos aos
terminais de um voltímetro sensível (faixa dos milivolts) e aqueça
a união dos fios. Enquanto a união é mantida
aquecida, aparece uma tensão elétrica contínua entre os extremos
livres desses fios, que é acusada pelo milivoltímetro.
Podemos juntar vários pares termoelétricos, para produzir
uma pilha termoelétrica, que é um detetor extremamente sensível
de raios térmicos (infravermelhos).
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Pilha
termoelétrica- centenas de pares
são encerrados dentro de um invólucro. |
Os
pares termelétricos são utilizados, também, na construção de pirômetros,
aparelhos capazes de medir a temperatura mesmo estando afastados dos
pontos cuja temperatura se medem. Eles são empregados, ainda, como cruz
térmica em amperímetros especiais para medidas de
correntes alternadas de altas freqüências.
Cristal
piezoelétrico
Existe um método de
conversão direta de energia mecânica em energia elétrica. Certos
cristais, como o sal de Rochelle, turmalina ou sal de Seignette e o
quartzo, têm a propriedade de gerar uma tensão elétrica, quando
comprimidos. A tensão gerada, mais ou menos volts, depende do grau
de compressão. Chama-se a isso de piezoeletricidade.
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O
cristal comprimido produz uma tensão elétrica. |
O
cristal de sal de Rochelle, por exemplo, é muitas vezes empregado no
fonocaptor do toca-discos. Ele converte os sulcos do disco em
tensão elétrica variável. A agulha do fonógrafo é mantida firme
junto ao cristal; ao passar pelos sulcos do disco a agulha vibra, de
ponta a ponta, de acordo com as variações de profundidade dos
sulcos. Estas variações são transmitidas ao cristal sob a forma de
variações de pressão. Em conseqüência, o cristal gera uma tensão
variável a qual produz som, quando amplificada e dirigida a um
alto-falante. O microfone de cristal é outro exemplo da aplicação
da tensão gerada por deformação de cristais. Muitos acendedores de
fogão e isqueiros funcionam na base da piezeletricidade.
Experimento:
Retire o elemento piezelétrico de
um velho acendedor de fogão (ele tem a forma de um pequeno
cilindro). Às placas metálicas desse elemento ligue as garras jacarés
de um voltímetro à válvula. Pressione sobre o cristal ou de
pequenas pancadas sobre ele. A agulha do voltímetro
se desvia para a direita ou esquerda conforme a pressão exercida
aumenta ou diminui, respectivamente --- efeito piezelétrico.
Dínamos
e alternadores
Michael
Faraday descobriu que é possível produzir-se uma tensão
elétrica toda vez que um condutor ¾
ou muitas voltas dele, constituindo uma bobina ¾
corta um campo magnético. Este é o princípio de funcionamento dos geradores
eletromecânicos.
Observe
na figura a seguir, como é simples, pela técnica descoberta por
Faraday, produzir-se uma tensão elétrica e, com ela, manter uma
corrente elétrica em um circuito.
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Produzindo
corrente elétrica com uma bobina fixa e um ímã móvel. |
Experimento:
Num quadro de papelão, enrolamos algumas dezenas de espiras
de fio de cobre esmaltado, construindo uma bobina fixa; uma centena
de espiras é uma boa quantidade. As extremidades dos fios dessa
bobina foram ligadas a um galvanômetro elementar constituído
de umas 30 voltas de fio sobre a caixa de uma bússola. A seguir,
movimentamos, para dentro e para fora, um ímã no interior da
bobina. Pronto! É só isso! Ao se mover o ímã
permanente num e noutro sentido (vai-vem) dentro da bobina, aparece
nos terminais dessa uma tensão elétrica alternada, no mesmo ritmo
do vai-vem.
Quando
o ímã é empurrado para dentro da bobina a agulha da bússola
desloca-se num sentido (acusando a passagem de uma corrente elétrica
devida ao efeito magnético das correntes) e quando tiramos o imã de
dentro da bobina a agulha desloca-se em sentido contrário. O vai e
vem do ímã, em relação á bobina, produz uma corrente
alternada que desloca a agulha da bússola ora para um lado ora
para outro.
O
que descrevemos é um gerador eletromecânico de tensão alternada ou
um alternador.
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O ímã
é mantido fixo e a bobina é quem se move.
Não importa quem é móvel, uma corrente alternada
é acusada pelo medidor. |
Dínamos
(que fornecem corrente contínua) e alternadores (que fornecem
corrente alternada) devem apresentam, sempre, uma parte móvel ¾
é a bobina que gira dentro do ímã ou é o ímã que gira dentro da
bobina. De qualquer modo, alguém deve gastar energia para manter
esta parte móvel e, dependendo de quem é esse alguém, teremos vários
modos de se produzir energia elétrica.
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Podemos
usar da energia eólica para fazer
dínamos e alternadores funcionarem. |
Podemos
usar energia térmica para acionar
os alternadores. |
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Podemos
usar energia nuclear para obtermos
a energia elétrica. |
Podemos
usar a energia mecânica dos fluxos
de água para conseguirmos a energia elétrica. |
As usinas
hidrelétricas são as mais comuns para a
obtenção da energia elétrica. |
A água
faz girar a turbina, a qual faz girar a bobina do alter-
nador dentro de um campo magnético. |
Fotoelemento
Experimento: Conecte
um fotoelemento (fotodiodo) a um milivoltímetro. Ilumine o
fotoelemento. Ao iluminar o fotoelemento
aparece uma tensão elétrica contínua.
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Geração de
tensão por meio da luz. |
Ao
incidir a luz no fotoelemento aparece entre a placa e o anel de
contato uma pequena tensão. A placa básica se converte no pólo
positivo e o anel de contato em pólo negativo. Essas células
fotovoltaicas são utilizadas, por exemplo, nos fotômetros,
como geradoras de tensão em satélites e em comandos e regulagens
eletrônicas.
Notas
Como
acontece isso?: Em linguagem química
simplificada explicamos assim: ao mergulharmos a tira de zinco na
solução ácida, o zinco começa a dissolver-se, isto é, átomos de
zinco começam a deixar a tira e entram na solução. Mas, cada átomo
de zinco ao entrar na solução, deixa atrás de si, na placa de
zinco, dois elétrons. Desse modo, a tira de zinco, por causa dos elétrons
ali deixados, ficou com excesso de carga negativa.
Os
íons positivos de zinco (Zn++) repelem os íons positivos de hidrogênio
(H+) para a tira de cobre. À medida que cada íon positivo de hidrogênio
chega na tira de cobre, retira dela um elétron e torna-se, dessa
forma, um átomo neutro. A tira de cobre, cedendo elétrons, ficou
com excesso de carga positiva.
Assim,
foi criada uma diferença de potencial (força eletromotriz ou tensão
elétrica) entre as tiras de zinco e de cobre. Quando ligadas a um
condutor, dá-se a passagem de elétrons do zinco para o cobre. O
processo continua até que toda a tira de zinco tenha sido consumida.
Potencial
de contato: varia
segundo os metais empregados e segundo a temperatura do ponto de junção.
Hoje sabemos que esse potencial de contato é produzido por causa dos
elétrons livres, presentes nos metais.
Esses elétrons livres
passam de um metal para outro, mas, dependendo dos metais empregados,
passam com maior facilidade em um sentido ou no outro. O metal que
receber maior número de elétrons ficará, então, negativo. O
outro, por causa da deficiência dos elétrons, ficará positivo.
[Documento registrado em Cartório
de Patentes e Registros]
