3.3 Terceiro ano terceiro bimestre

Professor angelo antonio leithold py5aal ensino médio

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - PREPARATÓRIO FÍSICA

EMBAIXO - PÁGINA ANTIGA

Geração de energia elétrica

          Na segunda metade do século XVIII, Luigi Aloisio Galvani começou a pesquisar a aplicação terapêutica da eletricidade, após dez anos de pesquisa publicou: "Sobre as forças da eletricidade nos movimentos musculares”, onde concluía que os músculos armazenavam eletricidade do mesmo modo que um cilindro de Leiden, e os nervos conduziam essa eletricidade. Os trabalhos de Galvani influenciaram Alessandro Volta, que após muitas pesquisas desenvolveu um dispositivo formado por pares de metais diversos, cada par metálico era separado por um disco de material poroso embebida em uma solução de sal, o disco inferior era sempre de prata e o superior de zinco, essas placas terminais eram ligadas por fios metálicos para conduzir a eletricidade produzida. Davy em 1812 produziu um arco voltaico usando eletrodos de carvão ligados a uma bateria de muitos elementos. As pilhas elétricas foram idealizadas por Alessandro Volta em 1800. A chamada pilha de Volta consta de uma sobreposição de discos de cobre e zinco, soldados dois a dois e dispostos na mesma ordem, ficando cada par separado do imediato por uma rodela de pano ou de cartão embebida em ácido sulfúrico com água. Volta notou entre as placas da base e as do alto, uma diferença de potencial que dava origem a fenômenos elétricos. Este foi o ponto de partida para a construção das pilhas elétricas. A pilha é um gerador químico, isto é, transforma energia química em energia elétrica porque quando colocamos dentro d’água um metal, este libera íons para a água. O zinco, na solução de ácido sulfúrico, libera íons positivos bivalentes. Dois elétrons são retidos no eletrodo de zinco, que ao seu entorno ficam muitos íons positivos de zinco, assim, o eletrodo fica com um excesso de elétrons, mas a formação de íons de zinco não é indefinida, pois a carga positiva dos íons em volta do eletrodo chegam em determinado momento impedir valor a liberação de novos íons. Isto ocorre porque um novo íon solto na solução saturada é repelido pela carga positiva voltando para o zinco, formando novamente um átomo neutro. O zinco fica negativo, a solução positiva, portanto o zinco fica com um potencial mais baixo que a solução. Com o cobre ocorre o mesmo, é liberada na solução íons positivos bivalentes de cobre, e retém elétrons, assim, fica com potencial mais baixo que a solução. Contudo, nem todos os metais tem a mesma facilidade de liberar íons. O cobre libera menos íons que o zinco, por este motivo retém menos elétrons, desta forma é o cobre que fica com potencial mais alto que o zinco, embora ambos tenham potencial mais baixo que a solução.

  O zinco possui mais elétrons que o cobre, quando eles são conectados por condutor para uma lâmpada há passagem de elétrons do zinco para o cobre, isto é, carga negativa, do zinco para o cobre, e a lâmpada acende.

         Assim, a pilha, célula galvânica, pilha galvânica ou ainda pilha voltaica utiliza reações de óxido-redução para converter energia química em energia elétrica. A reação química utilizada será sempre espontânea.  Uma vez que os dois eletrodos são constituídos geralmente de metais diferentes, e fornecem a superfície na qual ocorrem as reações de oxidação e redução. Os eletrodos são postos em dois compartimentos separados, imersos por sua vez em um meio contendo íons em concentrações conhecidas (Já descrito anteriormente) e separados por uma placa ou membrana porosa, podendo ser composta por argila não-vitrificada, porcelana ou outros materiais. As duas metades desta célula eletroquímica são chamadas de compartimentos e têm a finalidade de separar os dois reagentes participantes da reação de óxido-redução, do contrário, os elétrons seriam transferidos diretamente do agente redutor para o agente oxidante. Finalmente, os dois eletrodos são conectados por um circuito elétrico, localizado fora da célula (No caso da figura acima, uma lâmpada), denominado circuito externo, garantindo o fluxo de elétrons entre os eletrodos.

         Imãs

Os imãs podem ser naturais ou artificiais, permanentes ou temporais, o natural é um mineral com propriedades magnéticas chamado magnetita, que é um óxido de ferro (Fe3O4),  um corpo de material ferromagnético que tem a propriedade do magnetismo, ou seja a atração ou repulsão natural ou pela ação de correntes elétricas aplicadas em forma conveniente (eletroimantação). Os permanentes fabricados com materiais imantados (Ferro com alto índice de carbono), o que faz que se conserve seu poder magnético.Uma forte carga elétrica, um impacto de grande magnitude, ou a aplicação de una elevada quantidade de calor, pode causar que ao imã perda de sua força atuante (Magnetismo). Um imã temporário perde suas propriedades uma vez que cessa a causa que provoca o magnetismo. Um eletroímã é uma bobina por onde circula corrente elétrica. Isto gera um campo magnético isomórfico ao de um imã de barra que imanta o metal.

           Em física, o magnetismo é um fenômeno em que os materiais exercem forças de atração ou repulsão a outros materiais. Existem alguns conhecidos que  apresentam propriedades magnéticas detectáveis facilmente como o níquel, ferro. Todos os materiais são influenciados, de maior ou menor forma, pela presença de um campo magnético.Também o magnetismo tem outras manifestações em física, particularmente como um dos componentes da onda eletromagnética, como por exemplo a luz. No microcosmo se pode ter uma idéia do fenômeno do magnetismo partindo-se do princípio de que cada elétron é, por sua natureza, um pequeno imã, que possui um Momento dipolar magnético eletrônico. Ordinariamente, inumeráveis elétrons de um material estão orientados aleatoriamente em diferentes direções, porém, em um imã quase todos têm a orientação na mesma direção, criando uma força magnética grande ou pequena dependendo do número de elétrons que estejam orientados. Ademais do campo magnético intrínseco do elétron, algumas vezes há que contar também com o campo magnético devido ao movimento orbital do elétron ao redor do núcleo. Este efeito é análogo ao campo gerado por uma corrente elétrica circulando por uma bobina, a exemplo do dipolo magnético. O movimento dos elétrons não dá lugar a um campo magnético no material, mas em certas condições, os movimentos podem alinhar-se e produzir um campo magnético total mensurável. O comportamento magnético de um material pode variar enormemente, dependendo da sua estrutura, e particularmente da configuração eletrônica. Um ímã não apresenta propriedades magnéticas em toda a sua extensão, mas só em certas regiões, chamadas regiões polares. Quando o ímã tem forma de barra as regiões polares são as extremidades da barra. Entre as regiões polares há uma região que não possui propriedades magnéticas: é chamada região neutra.  Quando um ímã é suspenso pelo seu centro de gravidade, entra em oscilação e depois fica em equilíbrio numa posição tal que suas regiões polares ficam voltadas para os polos geográficos da Terra. Chamamos região polar norte do ímã àquela que é voltada para o polo norte geográfico, quando o ímã é suspenso pelo centro de gravidade; região polar sul àquela que é voltada para o polo sul geográfico, quando o ímã é suspenso pelo centro de gravidade

Duas regiões polares de mesmo nome se repelem, e de nomes contrários se atraem, portanto, o polo norte geográfico da Terra é uma região polar sul magnética; e que o polo sul geográfico é uma região polar norte magnética. Chama-se campo magnético de uma massa magnética à região que envolve essa massa, e, dentro da qual ela consegue exercer ações magnéticas. As linhas de força de um campo magnético são linhas que em cada ponto são tangentes ao campo desse ponto. As características das linhas de força do campo magnético são as mesmas das linhas de força do campo elestrostático, acima, estão representadas linhas de força eletrostáticas, que mais adiante serão mostradas.

Acima estão representadas as linhas de campo magnético quando se põe limalha de ferro sobre um papel com um imã do outro lado. Notar que a limalha se orienta. O físico dinamarquês Oersted em 1819, observou a agulha de uma bússola colocada próxima de uma corrente elétrica passando por um condutor. Aquela se desviava de sua posição, suspensa pelo centro de gravidade, isso ocorre pela formação de um campo magnético em torno do condutor percorrido por corrente elétrica. Foi essa a primeira vez que se observou o aparecimento de um campo magnético juntamente com uma corrente elétrica. 

Notar que em A a agulha da bússola está numa posição, note a polaridade da bateria. Em B, a agulha está em outra posição, observar a polaridade invertida da bateria.

Exercícios

Aplicações do magnetismo e do eletromagnetismo

O HD (Hard Disk), ou Disco Rígido

          Um disco rígido é um sistema lacrado contendo em seu interior discos de metal recobertos por material magnético onde os dados são gravados através de cabeças gravadoras-leitoras, e revestido externamente por uma proteção metálica que isola os discos magneticamente, que é presa ao gabinete do computador por parafusos. As informações são gravadas e lidas rapidamente, que uma vez processadas geram os procedimentos que um computador necessita ao seu funcionamento. O processador, para funcionar, precisa que as informações coletadas sejam gravadas na Memória RAM. A memória RAM, ou Memória de acesso aleatório (do inglês Random Access Memory) é um tipo de memória que permite a leitura e a escrita, utilizada como memória primária em sistemas eletrônicos digitais.O termo acesso aleatório identifica a capacidade de acesso a qualquer posição em qualquer momento, por oposição ao acesso sequencial, imposto por alguns dispositivos de armazenamento, como fitas magnéticas, nestas o acesso não é aleatório, mas sequencial. 

Anatomia do disco rígido

A figura acima mostra como é construído um HD (Fonte Angeloleithold)

          Dentre os diversos tipos de motores de passo, o representado na figura embaixo tem um rotor com imã fixo e um estator laminado com diversas bobinas. Os motores reais geralmente operam com ângulos de passo de 5 a 15 graus (O da figura é apenas didático), a taxas de passo relativamente altas. Quando energizadas as bobinas do estator, este apresenta forte torque estático. O rotor se alinha com as bobinas do estator através de repulsão e atração magnéticas. Cada vez que muda a polaridade das bobinas estatoras um passo é dado fazendo o rotor girar. Continuando a seqüência, até as bobinas receberem uma "ordem de parada", ou seja, se polarizam de tal forma que o rotor pára instanteneamente. Caso seja cortada a tensão de todas as bobinas, não há parada total imediata, assim o rotor gira até sua parada natural, ocasionada pelo atrito. Por isso os motores de HD têm, ao ser desligados um pequeno silvo que altera a freqüência sonora do agudo para o grave, dando a impressão se um som de turbina desacelerando.

A figura acima mostra um motor de passo híbrido, com bobinas e rotor. (Fonte: Angeloleithold)

Existem outros tipos de motores de passo, estes tem um rotor múltiplo construído com ferro doce e seu estator é feito com aço-silício laminado. Este tipo de motor opera com ângulos de passo que podem ser 5 a 15 graus a cada passo. Quando é energizado seu torque estático é nulo. Quando fase A é energizada, quatro dentes de rotor se alinham com os quatro dentes do estator da fase A através de atração magnética.

Quando a fase A é desligada e fase B é energizada, faz o rotor girar 15 graus à direita. Continuando a seqüência, a fase C é energizada e depois a fase A novamente, e assim por diante.