Transformando calor em eletricidade

O estudo descobriu que materiais topológicos podem aumentar a eficiência de dispositivos termoelétricos.

E se você pudesse operar seu ar condicionado não com eletricidade convencional, mas com o calor do sol durante um dia quente de verão? Com os avanços da tecnologia termoelétrica, essa solução sustentável pode um dia se tornar realidade.

Os dispositivos termoelétricos são feitos de materiais que podem converter uma diferença de temperatura em eletricidade, sem a necessidade de peças móveis - uma qualidade que torna as termoelétricas uma fonte de eletricidade potencialmente atraente. O fenômeno é reversível: se a eletricidade é aplicada a um dispositivo termoelétrico, ela pode produzir uma diferença de temperatura. Hoje, os dispositivos termoelétricos são usados ​​para aplicações de energia relativamente baixa, como alimentar pequenos sensores ao longo de oleodutos, fazer backup de baterias em sondas espaciais e resfriar minifridges.

Mas os cientistas esperam projetar dispositivos termoelétricos mais poderosos que possam extrair calor - produzido como um subproduto de processos industriais e motores de combustão - e transformar o calor desperdiçado em eletricidade. No entanto, a eficiência dos dispositivos termoelétricos, ou a quantidade de energia que eles são capazes de produzir, é atualmente limitada.

Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de aumentar essa eficiência em três vezes, usando materiais "topológicos", que possuem propriedades eletrônicas exclusivas. Enquanto trabalhos anteriores sugeriram que os materiais topológicos podem servir como sistemas termoelétricos eficientes, tem havido pouco entendimento de como os elétrons em tais materiais topológicos viajariam em resposta às diferenças de temperatura para produzir um efeito termoelétrico.

Em um artigo publicado esta semana na revista Proceedings, da Academia Nacional de Ciências , os pesquisadores do MIT identificam a propriedade subjacente que faz com que certos materiais topológicos sejam potencialmente mais eficientes em comparação com os dispositivos existentes.

"Descobrimos que podemos forçar os limites desse material nanoestruturado de uma maneira que faça dos materiais topológicos um bom material termoelétrico, mais do que os semicondutores convencionais como o silício", diz Te-Huan Liu, pós-doutorando no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “No final, isso pode ser uma forma de energia limpa para nos ajudar a usar uma fonte de calor para gerar eletricidade, o que diminuirá nossa liberação de dióxido de carbono.”

Liu é o primeiro autor do artigo do PNAS , que inclui os alunos de pós-graduação Jiawei Zhou, Zhiwei Ding e Qichen Song; Mingda Li, professora assistente no Departamento de Engenharia e Ciências Nucleares; o ex-aluno de pós-graduação Bolin Liao, agora professor assistente na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara; Liang Fu, o professor associado de Física da Biedenharn; e Gang Chen, o professor de Soderberg e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica.

Um caminho viajado livremente

Quando um material termoelétrico é exposto a um gradiente de temperatura - por exemplo, uma extremidade é aquecida, enquanto a outra é resfriada - elétrons nesse material começam a fluir da extremidade quente para a extremidade fria, gerando uma corrente elétrica. Quanto maior a diferença de temperatura, mais corrente elétrica é produzida e mais energia é gerada. A quantidade de energia que pode ser gerada depende das propriedades particulares de transporte dos elétrons em um determinado material.

Cientistas observaram que alguns materiais topológicos podem ser transformados em dispositivos termoelétricos eficientes por meio de nanoestruturação, uma técnica que os cientistas usam para sintetizar um material, padronizando suas características na escala de nanômetros. Os cientistas pensaram que a vantagem termoelétrica dos materiais topológicos vem de uma condutividade térmica reduzida em suas nanoestruturas. Mas não está claro como esse aprimoramento na eficiência se conecta com as propriedades topológicas inerentes do material.

Para tentar responder a essa pergunta, Liu e seus colegas estudaram o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, um material topológico que é conhecido por ser um bom material termoelétrico. Os elétrons no telureto de estanho também exibem propriedades peculiares que imitam uma classe de materiais topológicos conhecidos como materiais de Dirac.

A equipe teve como objetivo compreender o efeito da nanoestruturação no desempenho termoelétrico do telureto de estanho, simulando a maneira como os elétrons viajam através do material. Para caracterizar o transporte de elétrons, os cientistas freqüentemente usam uma medida chamada "caminho livre médio", ou a distância média que um elétron com uma determinada energia viajaria livremente dentro de um material antes de ser espalhado por vários objetos ou defeitos naquele material.

Materiais nanoestruturados se assemelham a uma colcha de retalhos de minúsculos cristais, cada um com bordas, conhecidas como limites de grãos, que separam um cristal do outro. Quando os elétrons encontram esses limites, eles tendem a se espalhar de várias maneiras. Elétrons com longos caminhos livres médios se espalharão fortemente, como balas ricocheteando de uma parede, enquanto elétrons com caminhos livres médios mais curtos são muito menos afetados.

Em suas simulações, os pesquisadores descobriram que as características eletrônicas do telureto de estanho têm um impacto significativo em seus caminhos livres médios. Eles plotaram a faixa de energias eletrônicas do telureto de estanho contra os caminhos livres médios associados, e descobriram que o gráfico resultante parecia muito diferente do da maioria dos semicondutores convencionais. Especificamente, para o telureto de estanho e possivelmente outros materiais topológicos, os resultados sugerem que os elétrons com energia mais alta têm um caminho livre médio mais curto, enquanto os elétrons de baixa energia geralmente possuem um caminho livre médio mais longo.

A equipe então analisou como essas propriedades eletrônicas afetam o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, resumindo essencialmente as contribuições termoelétricas de elétrons com diferentes energias e significando caminhos livres. Acontece que a capacidade do material de conduzir eletricidade, ou gerar um fluxo de elétrons, sob um gradiente de temperatura, depende em grande parte da energia do elétron.

Especificamente, eles descobriram que os elétrons de baixa energia tendem a ter um impacto negativo na geração de uma diferença de tensão e, portanto, na corrente elétrica. Esses elétrons de baixa energia também têm caminhos livres mais longos, o que significa que eles podem ser dispersos pelos limites de grãos mais intensamente do que os elétrons de alta energia.

Dimensionamento para baixo

Indo um passo adiante em suas simulações, a equipe jogou com o tamanho dos grãos individuais do telureto de estanho para ver se isso tinha algum efeito no fluxo de elétrons sob um gradiente de temperatura. Eles descobriram que, quando diminuíam o diâmetro de um grão médio para cerca de 10 nanômetros, aproximando seus limites, eles observaram uma maior contribuição de elétrons de alta energia.

Ou seja, com tamanhos de grãos menores, os elétrons de energia mais alta contribuem muito mais para a condução elétrica do material do que os elétrons de energia mais baixa, já que eles têm caminhos livres médios mais curtos e são menos propensos a se espalharem contra os limites dos grãos. Isso resulta em uma diferença de tensão maior que pode ser gerada.

Além disso, os pesquisadores descobriram que a diminuição do tamanho médio de grãos do telureto de estanho para cerca de 10 nanômetros produzia três vezes a quantidade de eletricidade que o material teria produzido com grãos maiores.

Liu diz que, embora os resultados sejam baseados em simulações, os pesquisadores podem obter um desempenho similar, sintetizando o telureto de estanho e outros materiais topológicos, e ajustando seu tamanho de grão usando uma técnica de nanoestruturação. Outros pesquisadores sugeriram que o encolhimento do tamanho de grão de um material pode aumentar seu desempenho termoelétrico, mas Liu diz que eles assumiram que o tamanho ideal seria muito maior que 10 nanômetros.

"Em nossas simulações, descobrimos que podemos reduzir o tamanho do grão de um material topológico muito mais do que se pensava anteriormente e, com base nesse conceito, podemos aumentar sua eficiência", diz Liu.

O telureto de estanho é apenas um exemplo de muitos materiais topológicos que ainda precisam ser explorados. Se os pesquisadores puderem determinar o tamanho ideal de grão para cada um desses materiais, Liu diz que os materiais topológicos podem em breve ser uma alternativa viável e mais eficiente para produzir energia limpa.

"Eu acho que materiais topológicos são muito bons para materiais termoelétricos, e nossos resultados mostram que este é um material muito promissor para aplicações futuras", diz Liu.

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Centro de Conversão de Energia Térmica Solar do Estado Sólido, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia dos EUA; e a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA).

Aumentando o calor nas termelétricas

Novos materiais, aquecidos sob campos magnéticos altos, podem produzir níveis recordes de energia, mostra o modelo.

Imagine poder abastecer seu carro em parte do calor que seu motor produz. Ou se você pudesse obter uma parte da eletricidade de sua casa do calor que uma usina emite? Tais cenários energeticamente eficientes podem um dia ser possíveis com melhorias em materiais termoelétricos - que espontaneamente produzem eletricidade quando um lado do material é aquecido.

Nos últimos 60 anos, os cientistas estudaram vários materiais para caracterizar seu potencial termoelétrico ou a eficiência com a qual eles convertem calor em energia. Mas, até hoje, a maioria desses materiais gerou eficiências que são muito baixas para qualquer uso prático generalizado.

Os físicos do MIT descobriram agora uma maneira de aumentar significativamente o potencial da termoeletricidade, com um método teórico que eles relatam hoje na Science Advances . O material que eles modelam com este método é cinco vezes mais eficiente e poderia gerar o dobro da quantidade de energia, como os melhores materiais termoelétricos que existem hoje.

"Se tudo der certo para os nossos sonhos mais loucos, então, de repente, muitas coisas que agora são ineficientes demais para se tornar mais eficientes", diz o autor Brian Skinner, pós-doutorando no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT. “Você pode ver nos carros das pessoas pequenos recuperadores termoelétricos que consomem o calor desperdiçado pelo motor do carro e o usam para recarregar a bateria. Ou esses dispositivos podem ser colocados em torno de usinas de energia de modo que o calor que foi anteriormente desperdiçado pelo seu reator nuclear ou usina de carvão agora é recuperado e colocado na rede elétrica ”.

Co-autora de Skinner no papel é Liang Fu, a Sarah W. Biedenharn Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira de Física no MIT, e um membro do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Encontrando furos em uma teoria

A capacidade de um material de produzir energia a partir do calor é baseada no comportamento de seus elétrons na presença de uma diferença de temperatura. Quando um lado de um material termoelétrico é aquecido, ele pode energizar os elétrons para se afastarem do lado quente e se acumularem no lado frio. O acúmulo resultante de elétrons pode criar uma tensão mensurável.

Materiais que até agora foram explorados geraram muito pouca energia termoelétrica, em parte porque os elétrons são relativamente difíceis de energizar termicamente. Na maioria dos materiais, os elétrons existem em bandas específicas ou faixas de energia. Cada banda é separada por uma lacuna - uma pequena faixa de energias na qual os elétrons não podem existir. Energizar elétrons o suficiente para atravessar uma lacuna de banda e migrar fisicamente através de um material tem sido extremamente desafiador.

Skinner e Fu decidiram olhar para o potencial termoelétrico de uma família de materiais conhecidos como semimetais topológicos. Em contraste com a maioria dos outros materiais sólidos, como semicondutores e isoladores, os semimetais topológicos são únicos, pois possuem intervalos de banda zero - uma configuração de energia que permite que os elétrons pulem facilmente para faixas de energia mais altas quando aquecidos.

Os cientistas supunham que os semimetais topológicos, um tipo relativamente novo de material que é amplamente sintetizado no laboratório, não gerariam muita energia termoelétrica. Quando o material é aquecido de um lado, os elétrons são energizados e se acumulam do outro lado. Mas à medida que esses elétrons carregados negativamente saltam para faixas de energia mais altas, eles deixam para trás o que é conhecido como “buracos” - partículas de carga positiva que também se acumulam no lado frio do material, anulando o efeito dos elétrons e produzindo muito pouca energia no final. .

Mas a equipe não estava pronta para descontar este material. Em uma pesquisa não relacionada , Skinner notou um efeito curioso em semicondutores que são expostos a um campo magnético forte. Sob tais condições, o campo magnético pode afetar o movimento dos elétrons, dobrando sua trajetória. Skinner e Fu imaginaram: Que tipo de efeito um campo magnético poderia ter em semimetais topológicos?

Eles consultaram a literatura e descobriram que uma equipe da Universidade de Princeton, na tentativa de caracterizar completamente um tipo de material topológico conhecido como seleneto de chumbo , também havia medido suas propriedades termoelétricas sob um campo magnético em 2013. Entre suas muitas observações do material, os pesquisadores relataram ter visto um aumento na geração termelétrica, sob um campo magnético muito alto de 35 tesla (a maioria das máquinas de ressonância magnética, para comparação, opera em torno de 2 a 3 tesla).

Skinner e Fu usaram propriedades do material do estudo de Princeton para modelar teoricamente o desempenho termoelétrico do material sob uma faixa de temperatura e condições de campo magnético.

"Nós finalmente descobrimos que sob um campo magnético forte, uma coisa engraçada acontece, onde você poderia fazer elétrons e buracos se moverem em direções opostas", diz Skinner. “Os elétrons vão em direção ao lado frio e furos em direção ao lado quente. Eles trabalham juntos e, em princípio, você pode obter uma tensão cada vez maior do mesmo material apenas tornando o campo magnético mais forte ”.

Poder tesla

Em sua modelagem teórica, o grupo calculou a ZT do chumbo-seleneto de estanho, ou figura de mérito, uma quantidade que indica quão próximo seu material está do limite teórico para gerar energia a partir do calor. Os materiais mais eficientes que foram relatados até agora têm um ZT de cerca de 2. Skinner e Fu descobriram que, sob um forte campo magnético de cerca de 30 tesla, o seleneto de chumbo pode ter um ZT de cerca de 10 - cinco vezes mais eficiente do que o termelétricas de melhor desempenho.

"Está fora de escala", diz Skinner. “Quando nos deparamos com essa ideia, pareceu um pouco dramática demais. Demorou alguns dias para me convencer de que tudo se somava ”.

Eles calculam que um material com um ZT igual a 10, se aquecido à temperatura ambiente a cerca de 500 kelvins, ou sob um campo magnético de 30 tesla, deveria ser capaz de transformar 18% desse calor em eletricidade, comparado a materiais com um ZT igual a 2, que só seria capaz de converter 8 por cento desse calor em energia.

O grupo reconhece que, para alcançar tais eficiências, os semimetais topológicos atualmente disponíveis teriam que ser aquecidos sob um campo magnético extremamente alto que só poderia ser produzido por um punhado de instalações no mundo. Para estes materiais serem práticos para uso em usinas de energia ou automóveis, eles devem operar na faixa de 1 a 2 tesla.

Fu diz que isso deve ser viável se um semimetal topológico estiver extremamente limpo, significando que há muito poucas impurezas no material que poderiam atrapalhar o fluxo dos elétrons.

“Tornar os materiais muito limpos é muito desafiador, mas as pessoas dedicam muito esforço ao crescimento de alta qualidade desses materiais”, diz Fu.

Ele acrescenta que o seleneto de estanho-chumbo, o material que eles focalizaram em seu estudo, não é o semimetal topológico mais limpo que os cientistas sintetizaram. Em outras palavras, pode haver outros materiais mais limpos que podem gerar a mesma quantidade de energia térmica com um campo magnético muito menor.

“Podemos ver que esse material é um bom material termoelétrico, mas deve haver outros melhores”, diz Fu. “Uma abordagem é pegar o melhor [semimetal topológico] que temos agora e aplicar um campo magnético de 3 tesla. Pode não aumentar a eficiência por um fator de 2, mas talvez 20 ou 50 por cento, o que já é um grande avanço ”.

A equipe registrou uma patente para sua nova abordagem termelétrica e está colaborando com os pesquisadores de Princeton para testar experimentalmente a teoria.

A pesquisa é apoiada pelo Centro de Excitonics do MIT e pelo Centro de Conversão de Energia Térmica Solar do Estado Sólido, que são Centros de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia dos EUA, e pelo Departamento de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA.

As Auroras e o Sinturão de Van Allen

Em função das velocidades e ângulos de incidência, principalmente nas proximidades dos polos, algumas partículas presentes em ventos solares e raios cósmicos conseguem atravessar as linhas de campo da magnetosfera. Esse fato provoca a ocorrência das ‘auroras’ e dos ‘cinturões de Van Allen’.

Aurora’ é um fenômeno luminoso e colorido, mais comum nos equinócios (de março a abril e de setembro a outubro), chamado de ‘Boreal’ quando ocorre no hemisfério norte e de ‘Austral’ quando ocorre no hemisfério sul. Esse fenômeno pode ser visualizado na Figura 01. Os ‘cinturões de Van Allen’ são duas camadas cumulativas de partículas que permanecem presas ao campo magnético terrestre após a ocorrência das auroras, representando uma consequência das mesmas'.

Os ventos solares e radiações cósmicas podem ser interpretados como “chuvas” de partículas (fótons) ou ondas eletromagnéticas. Nesse sentido, as auroras podem ser explicadas a partir do espectro eletromagnético e do espalhamento Compton.

As Auroras

Ondas eletromagnéticas incluem a luz, as ondas de rádio, os raios x e outras radiações. Essas ondas diferem entre si pelo comprimento de onda λ e pela frequência f, estando ambos relacionados pela velocidade da luz c, conforme a expressão descrita:

c = λf

A visão humana é sensível à radiação com comprimento de onda entre 400 e 700nm, intervalo esse conhecido como visível e compreendido entre a luz violeta e a luz vermelha. Comprimentos de onda inferiores a 400nm correspondem à radiação ultravioleta e comprimentos superiores a 700nm correspondem à radiação infravermelha. Essas características podem ser observadas no espectro eletromagnético representado na Figura

Espectro Eletromagnético

  

 Segundo o espalhamento Compton, a colisão entre um fóton incidente e um elétron faz com que esse elétron absorva parte da energia e o fóton seja espalhado com menor energia e maior comprimento de onda. O aumento do comprimento de onda explica a visualização de luzes coloridas formando as auroras. Os elétrons energizados no processo ficam presos ao campo magnético terrestre, dando origem aos cinturões de Van Allen.

 

 

Efeito Compton

O Campo Magnético Terrestre

Historicamente, ainda vale ressaltar que Michael Faraday (1791-1867) propôs o método utilizado atualmente para a representação das linhas de campo ao redor de um ímã, desenvolvendo a noção de que o espaço é modificado por um material magnético. O professor Hans Christian Oersted também merece destaque. Em 1820, demonstrou experimentalmente a produção de um campo magnético a partir de uma corrente elétrica, relação essa, quantificada por André-Marie Ampère (1775-1836).

O campo magnético terrestre é produzido por correntes elétricas cuja origem é indefinida, possui enfraquecimentos como a Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS) e polos que se deslocam e podem se inverter ao longo do tempo. Além disso, constitui uma barreira protetora contra partículas carregadas vindas do espaço, fato que gera muita discussão e curiosidade, principalmente em relação às auroras boreal e austral, as quais são causadas por partículas que conseguem atravessar o campo nas proximidades dos polos.

ORIGEM DO CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE

Em uma hipótese preliminar, acredita-se que o campo é resultado da magnetização natural de alguns materiais presentes na estrutura geológica do planeta.

 

Nesse sentido, sabe-se que a Terra tem um formato aproximado de uma esfera com raio médio de 6.378 km. A partir do ponto central, o núcleo interno possui algo em torno de 1.228 km de raio e o núcleo externo se estende desse ponto até 3.488 km de raio, totalizando mais de 54% do diâmetro do planeta. Além disso, o núcleo como um todo contém 32% da massa terrestre. Entre o núcleo externo e o manto existe uma camada de transição com uma espessura de 190 km. Nela ocorrem movimentos provocados por convecção, pois existe uma constante troca de calor. O manto se estende de 3.678 km até 6.338 km de raio, chegando a conter mais de 67% da massa terrestre. Os 40 km restantes representam a espessura da crosta terrestre. O núcleo é composto por 80% de ferro e 19% de níquel. A porção interna é essencialmente rígida e a porção externa é líquida e extremamente condutora de eletricidade. O manto é rico em silício, oxigênio e magnésio. Essa estrutura é mostrada na Figura 01 [Correa, 2007].

A Terra possui temperaturas internas muito elevadas, A partir de uma temperatura conhecida como ‘ponto Curie’, todos os materiais ferromagnéticos sofrem um processo de ‘desmagnetização térmica’, tornando-se paramagnéticos. Os valores do ponto Curie para os principais materiais ferromagnéticos são apresentados pela Tabela 01.

Para o ferro, o ponto Curie é atingido em torno dos 25 km de profundidade. Desse modo, a magnetização natural só é possível em uma fina camada da crosta terrestre. Amostras de superfície e amostras profundas (retiradas na perfuração de poços) indicam que, mesmo se a crosta terrestre for tomada como um todo, não existe material naturalmente magnetizado suficiente para produzir o campo magnético terrestre [Barnes, 2010].

Atualmente, é consenso entre os cientistas uma hipótese onde se acredita que o campo é produzido por enormes correntes elétricas que circulam no interior do planeta. Essas correntes são produzidas pelo movimento de partículas carregadas existentes no núcleo externo (porção líquida). Esse movimento é facilitado pela alta condutividade do local.

BARREIRA DE PROTEÇÃO

Como se pode observar na Figura 03, além do sentido oposto em relação aos polos geográficos, os polos magnéticos se apresentam bem afastados destes atualmente. Por exemplo, o polo (sul) magnético se encontra a cerca de 1.800 km do polo norte geográfico. Essa discrepância é conhecida como declinação magnética, e está representada na Figura 03.

A análise de extratos rochosos evidencia modificações ao longo das eras geológicas, demonstrando que o sentido do campo não é estável. Os átomos de ferro fundido expelidos em erupções vulcânicas são desorientados em virtude da agitação térmica, mas uma grande quantidade desses átomos se alinha com o campo magnético terrestre durante o resfriamento e solidificação do material, deixando esse alinhamento registrado na rocha ígnea resultante. Quando extratos de rochas provenientes de diferentes eras geológicas são comparados, torna-se possível determinar o campo em diferentes períodos. As evidências encontradas demonstram que em certos períodos o campo teve sua intensidade reduzida até se anular, sofrendo a seguir uma inversão de sentido e, consequentemente, uma troca de posição entre os polos. Mais de vinte inversões ocorreram ao longo dos últimos 5.000.000 de anos. A mais recente aconteceu há cerca de 700.000 anos [Hewitt, 2011].

Estudos realizados em sedimentos extraídos do fundo do mar indicam que o campo permaneceu desligado aproximadamente entre 10.000 e 20.000 anos, há cerca de 1.000.000 de anos. A próxima inversão é imprevisível, pois a sequência de ocorrências não é regular. Entretanto, medições mais recentes revelam uma redução da intensidade do campo, em torno de 5%, nos últimos 100 anos. Se essa variação for mantida, outra inversão pode ocorrer nos próximos 2000 anos [Hewitt, 2011].

Fig. 4 Anomalia magnética do atlântico sul.

A suspeita de uma nova inversão em andamento é reforçada pela existência de uma região no campo onde ocorre uma redução significativa de intensidade, conforme mostrado na Figura 05. Localizada principalmente sobre o Brasil, essa região é conhecida como Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS).

A região demarcada na figura tem incidência de um grande número de radiação. Tal anomalia pode afetar satélites e outros instrumentos, o Telescópio Hubble não realiza nenhuma observação quando esta passando pela região. 

Além dos ventos solares, a magnetosfera também protege o planeta de raios cósmicos, cuja

Fig. 5 Ação da Magnetosfera sobre o vento solar.

descoberta é atribuída a Victor Hess que, por meio de experimentos com balões, notou que o fluxo de radiação ionizante, até então associada à radioatividade ambiente do solo, se intensificava com o aumento da altitude. Isso o levou a conclusão de que provavelmente a fonte desta radiação teria origem fora da Terra [Oliveira, 2014]. Os raios cósmicos são constituídos essencialmente de prótons e outros núcleos. Os prótons podem ser oriundos do ‘Big Bang’ e os núcleos mais pesados de estrelas que explodiram [Hewitt, 2011].

 

Fonte: http://www.ufjf.br/fisicaecidadania/aprendendo-e-ensinando/faca-voce-mesmo/magnetismo-terrestre-um-laboratorio-natural/

Exercício Resolvido (Geradores Elétricos)

Um gerador de fem ε= 9,0 V e resistência interna r=1,0 Ω está em funcionamento e a intensidade de corrente elétrica que o atravessa é 2,0 A. Nessas condições, determine a ddp nos extremos do gerador;

Resolução:

 primeiramente, identificamos as grandezas Físicas que estão relacionadas.

 ε= 9,0 V

 r=1,0 Ω

 i=  2,0 A.

Utilizamos a Equação do gerador para encontrar a ddp:

U = ε - r.i 

substituindo os valores das grandezas mensuradas:

U = 9 - 1.2 = 7 V

Então U=7 V.

Geradores Elétricos

Todos os equipamentos elétricos, como lâmpadas, aquecedores, computador, geladeira, televisão, entre outros, necessitam de uma fonte de energia para o seu funcionamento. Essa fonte de energia é chamada de gerador elétrico.

Em um gerador elétrico, uma forma qualquer de energia, menos a elétrica, é transformada, em parte, em energia elétrica e o restante é dissipada, conforme mostra o esquema.

 

 Conforme o tipo de energia não elétrica a ser transformada em elétrica,podemos classificar os geradores em:

• mecânicos (usinas hidrelétricas)

• térmicos (usinas térmicas)

• nucleares (usinas nucleares)

• químicos (pilhas e baterias)

• fotovoltaicos (bateria solar)

• eólicos (energia dos ventos)

FORÇA ELETROMOTRIZ E RESISTÊNCIA INTERNA r.

A força Eletromotriz de um gerador é a ddp medida em seus terminais quando ele não está sendo percorrida por uma corrente elétrica. Por essa razão, também pode ser chamada de tensão em vazio. Sua unidade no S.I, é o Volt (V). Quando um gerador elétrico, como uma pilha comum, é colocado em funcionamento, os portadores de carga elétrica, ao atravessarem a pilha, ganham energia potencial elétrica. A quantidade de energia potencial elétrica total por unidade de carga elétrica que uma pilha (gerador) consegue produzir é denominada força eletromotriz (ε) do gerador:

No Sistema Internacional, a unidade da força eletromotriz (fem) é joule/coulomb = volt (V).

 Quando um gerador está ligado num circuito, as cargas elétricas que o atravessam deslocam-se para o polo (terminal) onde chegarão com maior energia elétrica do que possuíam no polo (terminal) de entrada. Acontece que, durante essa travessia, as cargas “chocam-se” com partículas existentes no gerador, perdendo parte dessa energia sob a forma de calor, por efeito Joule, como num resistor. A essa resistência à passagem das cargas pelo gerador damos o nome de “resistência interna (r)” do gerador. Na figura seguinte, temos a representação esquemática de um gerador elétrico de força eletromotriz ε e resistência interna r, quando em funcionamento, ou seja, percorrido por uma corrente elétrica i.

 

Observe que (+) e (–) representam os polos positivo e negativo do gerador e que, internamente ao gerador, a corrente elétrica e vai do polo negativo para o polo positivo.

EQUAÇÃO DE UM GERADOR 

Na figura anterior, está subentendido que um bipolo elétrico qualquer está ligado aos terminais A e B do gerador, pois há uma corrente elétrica estabelecida no circuito. Na figura seguinte, temos o esquema completo do circuito, supondo que o bipolo seja representado por um resistor.

Observe que, externamente ao gerador, a corrente elétrica vai do polo positivo para o polo negativo. Em termos de energia, a energia elétrica útil que o gerador consegue fornecer para o circuito constituído pelo bipolo ao qual ele é ligado é dada pela diferença entre a energia elétrica total e a energia dissipada,

ou seja:

                         

 Lembrando que a potência representa a quantidade de energia por unidade de tempo

CURVA CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR

 

Observe no gráfico que:

•  o ponto A, no qual U =ε, corresponde ao gerador em circuito aberto, ou seja, i = 0;
• o ponto B, no qual U = 0, corresponde ao gerador em curto-circuito, ou seja, os polos do gerador são ligados externamente por um fio sem resistência, conforme mostra a figura

 

• A intensidade de corrente elétrica de curto-circuito é dada por:

RENDIMENTO DE UM GERADOR

 

em que 0<ƞ< 1 Em porcentagem, fica: ƞ% = ƞ. 100%.

Força Magnética

O campo magnético B é definido pela Lei da Força de Lorentz e, especificamente, pela força magnética de uma carga em movimento:

As implicações dessa expressão incluem:

1. A força é perpendicular à velocidade v da carga qe ao campo magnético B.

2. A magnitude da força é F = qvB sinθ onde θ é o ângulo <180 graus entre a velocidade e o campo magnético. Isto implica que a força magnética em uma carga estacionária ou uma carga que se mova paralelamente ao campo magnético é zero.

3. A direção da força é dada pela regra da mão direita. A relação de força acima está na forma de um produto vetorial.

Quando a relação de força magnética é aplicada a um fio condutor de corrente, a regra da mão direita pode ser usada para determinar a direção da força no fio.

A partir da relação de forças acima, pode-se deduzir que as unidades de campo magnético são Newton segundos / (medidor de Coulomb) ou Newtons por amperímetro. Esta unidade é chamada de Tesla. É uma unidade grande, e a unidade menor Gauss é usada para pequenos campos como o campo magnético da Terra. Um Tesla é 10.000 Gauss. O campo magnético da Terra na superfície é da ordem de meio Gauss.

Lei da Força de Lorentz

Tanto o campo elétrico quanto o campo magnético podem ser definidos a partir da lei de força de Lorentz:

A força elétrica é direta, sendo na direção do campo elétrico se a carga é positiva, mas a direção da parte magnética da força é dada pela regra da mão direita.

Regra da mão direita:

A regra da mão direita é um mnemônico útil para visualizar a direção de uma força magnética como dada pela lei de força de Lorentz. Os diagramas acima são duas das formas usadas para visualizar a força em uma carga positiva em movimento. A força está na direção oposta para uma carga negativa se movendo na direção mostrada. Um fato a ter em mente é que a força magnética é perpendicular ao campo magnético e à velocidade de carga, mas isso deixa duas possibilidades. A regra da mão direita apenas ajuda você a determinar qual das duas direções se aplica.

Para aplicações em fios transportadores de corrente, a direção da corrente elétrica convencional pode ser substituída pela velocidade de carga v no digrama acima. 

 Para aplicações em fios transportadores de corrente, a direção da corrente elétrica convencional pode ser substituída pela velocidade de carga v no digrama acima.

Magnetismo Básico

“ Um deslumbramento desta natureza eu experimentei quando era uma criança de 4 ou 5 anos, quando meu pai me mostrou uma bússola. Que essa agulha se comportava daquela maneira decidida não se encaixava de modo nenhum com a natureza dos fatos, que pudesse encontrar um lugar no mundo inconsciente dos conceitos (efeitos ligados por “contato” direto). Eu ainda me lembro - ou ao menos acredito que me lembro - que esta experiência deixou uma impressão profunda e duradoura em mim. Algo profundamente escondido devia existir por trás das coisas." Albert Einstein - Auto biografia.

 

O magnetismo é uma força de atração ou repulsão que age à distância devido a um campo magnético, que é causado por partículas eletricamente carregadas. Também é inerente a objetos magnéticos, como um ímã.

Força de atração ou repulsão que age à distância. É devido a um campo magnético, que é causado por partículas eletricamente carregadas. Também é inerente a objetos magnéticos, como um ímã.

 

Um ímã é um objeto que exibe um forte campo magnético e atrai materiais como o ferro para ele. Os ímãs têm dois polos, chamados polos norte (N) e sul (S). Dois ímãs serão atraídos pelos polos opostos e cada um repelirá os polos iguais. O magnetismo tem muitos usos na vida moderna.

Campo magnético

Um campo magnético consiste em linhas imaginárias de fluxo provenientes do movimento ou da rotação de partículas eletricamente carregadas. Exemplos incluem o spin de um próton e o movimento de elétrons através de um fio em um circuito elétrico.

Na verdade, o que um campo magnético consiste é um mistério, mas sabemos que é uma propriedade especial do espaço.

 

Nomes de polos

As linhas do fluxo magnético fluem de uma extremidade do objeto para a outra. Por convenção, chamamos uma extremidade de um objeto magnético, o polo de busca N ou Norte, e o outro, o polo de busca S ou Sul, como relacionado aos polos magnéticos Norte e Sul da Terra. O fluxo magnético é definido como se movendo de N para S.

Nota: A Terra não segue a configuração magnética na ilustração acima. Em vez disso, as linhas de fluxo são opostas a partir de uma partícula carregada em movimento.

Ímãs

Embora partículas individuais, como os elétrons, possam ter campos magnéticos, objetos maiores, como um pedaço de ferro, também podem ter um campo magnético, como a soma dos campos de suas partículas. Se um objeto maior exibe um campo magnético suficientemente grande, ele é chamado de ímã.

Força magnética

O campo magnético de um objeto pode criar uma força magnética em outros objetos com campos magnéticos. Essa força é o que chamamos de magnetismo.

Quando um campo magnético é aplicado a uma carga elétrica em movimento, como um próton em movimento ou a corrente elétrica em um fio, a força na carga é chamada de força de Lorentz.

Atração

Quando dois ímãs ou objetos magnéticos estão próximos um do outro, há uma força que atrai os polos juntos.

Os ímãs também atraem fortemente os materiais ferromagnéticos, como ferro, níquel e cobalto.

Repulsão

Quando dois objetos magnéticos têm polos iguais um em frente ao outro, a força magnética os separa.

 

 

A Força empurra objetos magnéticos para longe.

Os ímãs também podem repelir fracamente os materiais diamagnéticos.

Campos magnéticos e elétricos

Os campos magnético e elétrico são semelhantes e diferentes. Eles também estão inter-relacionados.

Cargas elétricas e magnetismo semelhantes

Assim como as cargas elétricas positiva (+) e negativa (-) se atraem, os polos N e S de um ímã se atraem.

Em eletricidade como cargas de sinais iguais se repelem, em magnetismo polos iguais repelem.

Cargas elétricas e magnetismo diferentes

O campo magnético é um campo dipolar. Isso significa que todo ímã deve ter dois polos.

Por outro lado, uma carga elétrica positiva (+) ou negativa (-) pode ficar sozinha. As cargas elétricas são chamadas monopolos, uma vez que podem existir sem a carga oposta.

 

Algumas aplicações da Eletrostática no cotidiano

 

FILTRO ELETROSTÁTICO

As grandes indústrias lançam toneladas de poluentes na atmosfera através de suas chaminés. A força elétrica pode ser utilizada para diminuir essa poluição atmosférica causada pelas chaminés das indústrias ou para filtrar o ar de nossas casas.

 

Grande parte dos poluentes expelidos pelas chaminés das indústrias é formada por partículas sólidas muito pequenas. A maneira mais eficaz de limpar a fumaça é usar um precipitador (filtro) eletrostático. A fumaça ou ar contaminado passa através de eletrodos carregados que eletrizam as partículas poluentes. Em seguida elas são recolhidas por placas eletrizadas com cargas opostas. A placa coletora por ter carga contrária à carga das partículas poluentes, as atrai, fazendo com que essas partículas se depositem em sua superfície, limpando o ar. A figura acima mostra um esquema simplificado do processo.

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS: RAIOS

Descargas atmosféricas são descargas elétricas de grande extensão (alguns quilômetros) e de grande intensidade ( picos de intensidade de corrente acima de alguns quiloamperes) que ocorrem devido ao acúmulo de cargas elétricas em regiões localizadas da atmosfera, em geral dentro de tempestades.

Descargas atmosféricas podem ocorrer da nuvem para o solo, do solo para a nuvem, dentro da nuvem, da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera, denominados descargas no ar, ou ainda entre nuvens.

De todos os tipos de descargas, as intra-nuvem são as mais frequentes, em parte devido ao fato de a capacidade isolante do ar diminuir com a altura em função da diminuição da densidade do ar, em parte divido às regiões de cargas opostas dentro da nuvem estarem mais próximas que no caso dos outros relâmpagos.

 
PINTURA ELETROSTÁTICA

A pintura eletrostática é uma das formas de pintura mais resistente e efetiva existente. Essa pintura utiliza um processo diferenciado por meio de cargas elétricas para a fixação da tinta.

Usualmente essa pintura é mais aplicada em superfícies metálicas, mas pode ser utilizada em qualquer material carregado eletricamente. A tinta utilizada é em pó e se subdivide em três tipos: Poliéster: Com ótima aderência e dificilmente fica amarelada, utilizada bastante em ambientes externos. Epóxi: Com grande resistência à corrosão. Hibrido: Que é a combinação das duas anteriores.

Para realizar é usado uma pistola de pintura, nela há um compartimento para a tinta em pó e antes do pó ser esguichado para fora o pó é carregado eletricamente com cargas positivas ou negativ

as e a superfície onde será aplicado será carregado eletricamente com cargas opostas as da tinta. Com isso, quando a tinta entra em contato com a superfície ocorre a atração entre as cargas opostas fazendo a tinta fixar na superfície. Depois desse processo o material é levado a uma estufa para ganhar perfeita uniformidade na superfície do material.

 

 

O GERADOR DE VAN DER GRAFFS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Os geradores Van de Graaff (ou Van de Graaffs) não são apenas dispositivos espetaculares usados ​​para demonstrar alta voltagem devido à eletricidade estática - eles também são usados ​​para pesquisas sérias. O primeiro foi construído por Robert Van de Graaff em 1931 (baseado em sugestões originais de Lord Kelvin) para uso em pesquisa de física nuclear. a figura mostra um esquema de uma grande versão de pesquisa. Van de Graaffs usam superfícies lisas e pontiagudas e isoladores para gerar grandes cargas estáticas e, portanto, grandes tensões.
Uma carga excessiva muito grande pode ser depositada na esfera, porque ela se move rapidamente para a superfície externa. Limites práticos surgem porque os grandes campos elétricos polarizam e eventualmente ionizam os materiais circundantes, criando cargas livres que neutralizam o excesso de carga ou permitem que ele escape. No entanto, voltagens de 15 milhões de volts estão dentro dos limites práticos.Esquema do gerador de Van de Graaff. Uma bateria (A) fornece uma carga positiva em excesso a um condutor pontiagudo, cujos pontos borrifam a carga em uma correia isolante próxima ao fundo. O condutor pontiagudo (B) no topo da grande esfera apanha a carga. (O campo elétrico induzido nos pontos é tão grande que remove a carga da correia.) Isso pode ser feito porque a carga não permanece dentro da esfera condutora, mas se move para sua superfície externa. Uma fonte de íons dentro da esfera produz íons positivos, que são acelerados da esfera positiva a altas velocidades.