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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.


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).


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.


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.


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.


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.


Podemos usar da energia eólica para fazer
dínamos e alternadores funcionarem.


Podemos usar energia térmica para acionar
os alternadores.


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.


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]



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