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Conversão
direta da energia Prof.
Luiz Ferraz Netto Passados
140 anos, Seebeck obteve seu êxito
Fig. 5a - Constatação do efeito Seebeck. Em 1821, T.J. Seebeck foi o primeiro a observar esse efeito em seu laboratório em Berlim porém, devido a uma interpretação errônea da natureza do fenômeno, não conseguiu encontrar nenhuma aplicação prática. Até algum tempo atrás não havia sido feito nenhum progresso verdadeiro na aplicação desse descobrimento para a produção de energia. Realmente, por mais de 100 anos a termoeletricidade repousou junto á 'bela adormecida do bosque' e 'o príncipe que veio despertá-la' tinha outro nome: semicondutor. Enquanto eram utilizados os tradicionais 'arames metálicos' de pouco rendimento para a confecção do par termoelétrico, os autores de livros-textos tinham certa razão em dizer que a termoeletricidade nunca seria útil como fonte de energia elétrica. O 'segredo' para a eficiente aplicação desse efeito residia na produção de melhores materiais termoelétricos. Produção, aqui, poderia até mesmo ser melhor substituído por 'criação', uma vez que os melhores materiais para estas aplicações não existem na natureza. Para bem realizar esse trabalho de 'alquimia' teremos que entender bem o efeito Seebeck. Vamos a ele. Elétrons
e buracos Pelo
contrário, todos os metais possuem muitos elétrons em um estado de
relativa liberdade e que se deslocam facilmente pela estrutura metálica.
A isso devemos o fato de que os metais sejam tão bons condutores de
corrente elétrica.
Fig. 5b - Esquerda: Par termoelétrico construído com semicondutores de tipo P e N. Direita: Os átomos de impureza (I) são distintos em cada elemento e originam um excesso (tipo N) ou falta de elétrons de valência (tipo P). O calor faz com que os elétrons (-) e os 'buracos' (+) se desloquem para a junção fria. Na fig. 5b também aparece um semicondutor de tipo P ou positivo. Neste caso o átomo da impureza não tem elétrons de valência suficientes para saturar as ligações com os átomos circundantes. O conjunto de átomos tem menos elétrons que deveria, o que equivale a dizer que está cheio de 'buracos positivos'. Ainda que pareça estranho, num primeiro relance, esses buracos podem deslocar-se pela substância como se fossem cargas positivas. Este modelo de elétrons e buracos não é tão preciso como desejaria um físico, mas ajuda a compreender o comportamento dos semicondutores no nível desse trabalho. Há modelos mais sofisticados para isso. O efeito Seebeck se manifesta bem quando se unem dois fragmentos de substâncias semicondutoras de tipos P e N, conforme ilustra a fig. 5b, esquerda. A energia térmica recebida pela junção quente propicia o deslocamento tanto dos elétrons livres como dos buracos para a junção fria, como se fossem gases que se deslocam através da substância devido a uma diferença de temperatura. Desta maneira se origina em terminal positivo e outro negativo, o que é necessário para tornar-se uma fonte de energia elétrica. Quanto maior for a diferença de temperatura maior será a diferença de potencial (d.d.p) originada. Devemos observar que poderíamos obter uma d.d.p. entre os extremos frio e quente de um mesmo semicondutor, porém com a construção do par com substâncias dopadas P e N a d.d.p. originada é bem superior. Geradores
termelétricos de energia para uso prático Aparências
enganam. Se você observar com cuidado as figuras 1 e 5b tudo parecerá de
extrema simplicidade. Não é bem assim, atrás dessa aparente
simplicidade do gerador termelétrico há toda uma história de esforços
de investigação e desenvolvimentos a passos curtos. Por exemplo, o par
termelétrico ilustrado na fig. 1 resultou possível graças a milhares de
experimentos com soldaduras. A junção dos elementos termelétricos com a
placa quente (que é metálica) oferece muitas dificuldades: deve ser
forte, resistir temperaturas elevadas e apresentar pouca resistência elétrica.
Também pode ser observado que os elementos são envolvidos por mangas de
mica para impedir que os gases circundantes alterem o delicado equilíbrio
entre as impurezas e o semicondutor. A enorme fragilidade dos elementos
complica ainda mais as coisas, e este é um problema ainda não totalmente
resolvido.
Fig. 6a - Gerador para usos correntes. Esse queima propano e produz suficiente potência para fazer funcionar um aparelho portátil de TV. Para demonstrações didáticas da conversão termelétrica existem nos laboratórios de Faculdades e Institutos um dispositivo como o da fig.6b.
Fig. 6b - Conversor termelétrico para fins didáticos. Esse conversor termelétrico consta basicamente de um pequeno motor elétrico CC, dotado de hélice, alimentado diretamente por um elemento Peltier. Cada face do elemento Peltier está termicamente acoplada a uma grossa barra de alumínio. A extremidade livre de uma das barras é mergulhada em água quente e a da outra em água fria. O
elemento Peltier tem função reversível; quando submetido a uma d.d.p.
ela produz uma diferença de temperaturas entre suas faces e quando
submetemos suas faces a uma diferença de temperaturas o elemento gera uma
d.d.p. Por
hora, a energia termelétrica só está encontrando aplicações
especiais, como as mencionadas (o par termelétrico entretanto, também é
usado como ponta termométrica de tremenda sensibilidade). Assim que os
rendimentos se tornarem mais elevados será possível que essa energia
possa substituir as máquinas de conversão dinâmica em certas aplicações
que requerem pouca potência.
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