A energia é um conceito importante presente no cotidiano, que se apresenta das mais diversas formas, como no movimento de um moinho, no calor gerado pelo sol, na eletricidade necessária para acender uma lâmpada, e etc. Mas afinal, o que é a energia?
Apesar de não haver uma definição exata, entende-se a energia como a capacidade de executar trabalho ou realizar uma ação, isto é, o potencial de se produzir movimento ou um evento. Em outras palavras, qualquer coisa que esteja trabalhando ou movimentando demanda um gasto de energia para acontecer.
Nesse sentido, destaca-se como uma característica intrínseca à energia o Princípio de Lavoisier. De acordo com este, a energia não pode ser criada ou destruída, mas apenas transformada de uma forma para a outra. Em outras palavras, não é possível gerar energia do vazio, sendo necessário obter a energia de uma fonte já existente e então transformá-la em outras tipos de energia que atendam a demanda desejada. Assim, observa-se que, em um sistema fechado (que permite a troca de energia entre o sistema e a vizinhança, mas não de matéria) a energia sempre se conserva. Por exemplo, pode-se citar a energia presente no movimento de queda da água nas hidrelétricas, em que parte da energia potencial torna-se cinética, e da cinética para elétrica.
Neste módulo, você vai conhecer a bicicleta “La Bike”, uma das iniciativas do Projeto Bike Week. A La Bike é uma bicicleta adaptada com um gerador de energia, de forma que a energia cinética da ação de pedalar é transformada em energia elétrica. O gerador de energia é instalado em contato com a roda traseira da bicicleta. A energia gerada é usada para acender um sistema de LEDs posicionado na parte dianteira da bicicleta.
1.2 Tipos de energia
No exemplo anterior, foram apresentadas as energias cinética (relacionada com o movimento) e potencial gravitacional (relacionada com a posição de um corpo). Essas duas compõem a energia mecânica, relativa à capacidade de realizar trabalho a partir da movimentação. Também foi citada a energia elétrica, tipo referente ao potencial elétrico de um sistema, presente por exemplo na corrente elétrica que chega às tomadas dos domicílios para alimentar circuitos de eletrodomésticos.
Outras formas de energia importantes são: a energia química, proveniente de reações químicas; a energia térmica, representada por meio do calor; e a energia luminosa, forma de radiação eletromagnética que pode ser vista pelos olhos humanos.
1.3 Energia e Sustentabilidade
Os tipos de energia provenientes de fontes finitas, isto é, que não se renovam ou que precisam de um grande período de tempo para se renovar são chamadas de energias não renováveis. Esse é o caso da energia gerada a partir dos combustíveis fósseis, como o petróleo, carvão e gás natural. Já as energias geradas através de fontes que conseguem se repor naturalmenteem um curto período de tempo são chamadas de energias renováveis. Esse é o caso da energia oriunda da força dos ventos (energia eólica) e também de combustíveis como o biogás ou biodiesel.
O termo “energia limpa” refere-se à energia que, além de renovável, é produzida com baixo impacto de poluição ou dano ambiental, principalmente em relação à liberação de gases do efeito estufa (GEEs), em especial o CO2, promovendo em certa medida a preservação do meio ambiente. Já a energia obtida por meio de fontes esgotáveis, cuja extração inclui a emissão de gases ou resíduos poluentes, é chamada de energia suja.
A poluição do ar e seus efeitos na saúde são alguns dos problemas ambientais mais graves, e ocasionada por partículas finas e gases tóxicos liberados na atmosfera que contribuem principalmente para intensificar o efeito estufa. No caso dos processos de geração de energia elétrica para uso industrial, automobilístico e doméstico, muitas indústrias utilizam recursos fósseis que emitem gases GEEs. No caso de outras atividades que são alimentadas pelo uso direto de combustíveis sem intermédio da eletricidade, como ocorre com a maior parte dos meios de transporte, a queima destes recursos também é responsável pela liberação de gases poluentes. O impacto sobre a saúde humana é profundo, com doenças respiratórias e cardiovasculares sendo as mais comuns. A Organização Mundial da Saúde (OMS) estima que mais de 7 milhões de mortes anuais estão associadas à exposição à poluição do ar.
Devido à falta de fiscalização no processo de produção de energia elétrica, de leis ambientais mais rigorosas e de interesse ou recursos financeiros das indústrias responsáveis, grande parte dos resíduos que envolvem a geração de eletricidade são despejados de maneira indevida nos solos e em fontes de água, como rios e oceanos. Esses poluentes não só prejudicam a saúde dos seres vivos que podem ingerir a água contaminada e contribuem para a escassez de água potável em diversas regiões, mas também afetam a qualidade dos solos, que se tornam improdutivos ao longo do tempo, comprometendo a cadeia alimentar e afetando a fauna e flora local, destruindo habitats naturais e provocando desequilíbrios ecológicos. Além disso, prejudicam também a biodiversidade aquática, prejudicando ecossistemas inteiros.
Por fim, a poluição sonora também é um efeito colateral da geração de energia em parques de energia eólica, e tem impacto direto na qualidade de vida das populações próximas. Além de causar estresse e distúrbios no sono, a exposição contínua ao ruído excessivo pode levar ao desenvolvimento de problemas de saúde como hipertensão e doenças cardíacas.
Um circuito elétrico é um caminho fechado pelo qual circula uma corrente elétrica. Essa corrente atravessa todos os equipamentos do circuito, os quais são conectados por meio de um material condutor. O funcionamento do circuito ocorre devido a existência de uma tensão elétrica ou diferença de potencial, aplicada entre dois pontos diferentes.
Se o circuito for interrompido, isto é, a conexão do material condutor for desfeita, então a diferença de potencial cai drasticamente, e logo não há corrente elétrica que percorra o circuito. Pode-se chamar tal condição de um circuito aberto. Alguns dos equipamentos que compõem um circuito elétrico são geradores, receptores, resistores e condutores.
Os materiais condutores de corrente elétrica geralmente são metálicos. O mais utilizado é o fio de cobre, que desenvolve uma diferença de potencial maior se comparado a outros metais. A resistência elétrica (variável R) é um componente que se opõe ao fluxo de corrente e promove a liberação de energia na forma de calor quando cargas elétricas atravessam sua estrutura . É medida em ohms (Ω), e seu valor depende do seu material, comprimento e espessura e pode ser lido por meio de um código de cores grafado no próprio dispositivo . São usados para controlar a quantidade de corrente em determinadas partes do circuito.
A fonte de tensão ou gerador é um dispositivo que fornece a energia necessária para o funcionamento do circuito, criando a diferença de potencial que impulsiona as cargas ao longo do circuito, do maior para o menor potencial. O gerador é responsável por converter vários tipos de energia (como a química e mecânica) em energia elétrica. Como exemplo, cita-se as pilhas e baterias.
O sentido da corrente elétrica pode assumir tanto o sentido convencional quanto o real. No sentido real, a corrente corre do potencial maior para o potencial menor. No sentido convencional, a corrente elétrica corre do potencial menor para o potencial maior. Receptores são dispositivos que convertem a energia elétrica em outras formas de energia, de modo que a corrente flui do menor potencial elétrico para o maior potencial elétrico. Como exemplo pode se citar os motores de eletrodomésticos, como o liquidificador e a batedeira, que transformam a corrente elétrica que recebem em movimento.
Neste módulo, trabalharemos com a montagem de um circuito elétrico usando uma protoboard. A protoboard, também conhecida como matriz de contatos ou placa de prototipagem, é normalmente utilizada para testar circuitos antes de sua montagem final, evitando a necessidade de soldar componentes elétricos de forma permanente. É uma placa composta por furos e conexões internas, na qual as colunas são grafadas com letras e as linhas com números. Cada linha apresenta um mesmo potencial em todo seu comprimento, enquanto nas colunas os quadradinhos estão sob tensões diferentes
Circuitos elétricos obedecem algumas leis fundamentais da física:
1. Primeira Lei de Ohm: relaciona a tensão (V), corrente elétrica (I) e resistência em um circuito (R), em um comportamento linear. A relação é dada por V=R⋅I
2. Lei das Correntes de Kirchhoff (LCK) ou Lei dos Nós: diz que a soma das correntes que entram em um ponto de um circuito é igual à soma das correntes que saem dele. A relação é dada por Σ I entrada = Σ I saída
3. Lei das Tensões de Kirchhoff (LTK) ou Lei das Malhas: diz que a soma das tensões em um circuito fechado é igual a zero. A relação é dada por Σ V = 0 ou Σ V positivo = Σ V negativo.
Os circuitos elétricos também podem ser classificados de acordo com a forma com que seus componentes são arranjados no circuito. No circuito em série , os componentes estão conectados um após o outro, em um único caminho, de modo que a corrente é a mesma em todos os elementos ligados nessa configuração e a tensão total do circuito se distribui entre os componentes. Se um componente falhar, todo o circuito é interrompido. Já no circuito em paralelo, os componentes são conectados em caminhos separados, de modo que a corrente se divide proporcionalmente em cada um deles e a tensão fique igual para todos os ramos que contêm os elementos. Nesse caso, se um componente falhar, os outros continuam em funcionamento.
Neste módulo, trabalharemos com a construção de um circuito elétrico simples envolvendo um motor elétrico conectado à uma “pá eólica” em formato de hélice, que funcionará como um gerador de energia (ilustrando uma fonte de energia), uma lâmpada de LED (ilustrando um receptor), e um resistor, adicionado ao circuito com o intuito de dissipar parte da energia do sistema. Outros dispositivos com maior valor de resistência serão utilizados durante a atividade, sendo retirados e adicionados ao circuito para que seja possível observar, de acordo com o brilho das lâmpadas, a dissipação de energia. Para representar esse circuito, considerou-se que o motor elétrico é um gerador e que as lâmpadas de LED podem ser representadas por resistores, a fins didáticos. Os estudantes serão divididos em duplas ou trios monitorados pelos participantes do projeto Bike Week para essa atividade.
Para essa atividade, serão utilizados os seguintes materiais:
Os procedimentos experimentais são os seguintes:
1. Inicialmente, o circuito que será entregue aos alunos já estará montado com lâmpada de LED e um resistor e também conectado ao motor eólico. Serão entregue 2 outros resistores com maior resistência;
2. Os participantes poderão soprar a hélice com o objetivo de acender a lâmpada de LED;
3. Os monitores vão orientar a realização de modificações nos circuitos: primeiramente, o resistor inicialmente presente no circuito deve ser trocado por aquele com valor intermediário dentre os que o grupo possui; o mesmo procedimento de soprar a hélice deve ser feito;
4. Em seguida, essa alteração de resistores se repetirá, mas agora o dispositivo de maior resistência deve ser adicionado. Os participantes devem tentar acender a lâmpada novamente;
5. Finalmente, os monitores irão orientar a retirada de qualquer resistor do circuito, e os participantes devem soprar a hélice novamente. Logo após, uma análise e conclusão dos fenômenos físicos que ocorreram durante o experimento será feita em conjunto
Esse experimento tem o objetivo de ilustrar conceitos relacionados à geração e uso sustentável de energia. Dado o cenário atual de grande poluição e emissão de gases estufa pela produção de energia com o uso de combustíveis fósseis, países de todo o mundo tem cada vez mais se mobilizado para a criação de métodos sustentáveis de produção de energia elétrica. Uma das soluções desenvolvidas foi o uso de grandes turbinas movimentadas pela força dos ventos, transformando a energia mecânica em energia elétrica.
O processo de geração de energia é realizado da seguinte forma: a força dos ventos gira as pás das turbinas e aciona o rotor interno, que converte a energia cinética dos ventos em energia cinética de rotação. Em seguida, a velocidade de giro é aumentada por uma caixa multiplicadora que é ligada ao motor. Essa energia mecânica então é transferida a um gerador, que transforma a energia mecânica em elétrica. O tipo de energia envolvido nesse processo é denominado como energia eólica. Ela é considerada relativamente limpa, visto que tem um índice baixíssimo de poluição do meio ambiente no processo de geração de energia, além de ser renovável, já que tem como fonte um recurso inesgotável: os ventos.
Consumo Sustentável refere-se à compra e uso de produtos tendo em mente o objetivo de causar o menor impacto ambiental possível, implicando, portanto, no consumo somente daquilo que é realmente necessário e de maneira responsável. Com isso, pode-se estender a vida útil de produtos tanto quanto possível. Isso envolve considerar não apenas a aquisição do produto, mas priorizar a escolha de mercadorias que requerem o uso de menos recursos naturais em sua composição, que podem ser reaproveitadas ou recicladas e cuja produção garanta empregos decentes aos envolvidos sem gerar uma grande quantidade de lixo.
Em resumo, pode-se dizer que o consumo sustentável é uma questão de atitude do consumidor, que acontece quando este compreende que sua decisão de compra carrega consequências socioambientais positivas ou negativas e prioriza, de maneira consciente e 17 responsável, pela opção mais ecologicamente favorável, visando a produção que antecedeu essa aquisição, o seu uso e o descarte.
Em 2012, na Conferência das Nações Unidas sobre desenvolvimento sustentável no Rio de Janeiro, a Organização das Nações Unidas (ONU) criou os 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) como um apelo universal para acabar com a pobreza, proteger o planeta e assegurar que todas as pessoas tenham paz e prosperidade. O conceito de consumo sustentável foi incluído nessa iniciativa por meio do ODS 12: “Consumo e produção responsáveis”, identificado como necessário devido ao cenário de consumo exacerbado, degradação exponencial da natureza e retirada de seus recursos em razão da priorização da produção em detrimento do meio ambiente. Esse ODS 12 visa mudar o padrão atual de produção e consumo para garantir o consumo responsável e eficiente de recursos naturais e meios de produção sustentáveis. Ele busca promover a mentalidade do consumo sustentável nas mais diversas áreas da sociedade, a partir de metas que priorizam a responsabilização dos consumidores de recursos naturais como essenciais para a execução do objetivo.
Como veremos neste experimento, a função de um resistor é dissipar a energia que passa por um circuito. Quanto maior a resistência, mais energia é dissipada. Dessa forma, ao adicionar os dispositivos com resistências cada vez maiores nos sistemas, a passagem de energia até as lâmpadas é cada vez mais dificultada, de modo que é necessário um sopro mais forte para girar a hélice e oferecer a energia necessária para acender o LED, à medida que a resistência aumenta. Isso equivale a aumentar a potência oferecida pelo motor para realizar o mesmo trabalho.
Por outro lado, ao retirarmos o resistor do circuito, é mais fácil gerar a energia energia necessária para o LED acender, visto que toda a energia vai diretamente a ele, sem dissipação significativa no caminho. Portanto, é possível concluir da atividade que, quanto maior a perda de energia, mais energia é exigida para realizar uma mesma tarefa. Nesse sentido, é possível relacionar o experimento ao conceito de consumo: toda vez que toma-se alguma atitude que culmina no gasto desnecessário de energia, como deixar a luz de um cômodo que não está sendo usado acesa, ou ligar um ar condicionado e deixar as janelas ou portas do espaço em que ele está abertas, ou até usar o carro para deslocamentos curtos, cria-se um desperdício da energia gerada.
Neste segundo experimento, investigaremos o funcionamento de circuitos em paralelo. Este circuito deve ser composto por um motor elétrico, uma resistência adicionada com o intuito de dissipar parte da energia do sistema, e duas lâmpadas de LED com cores diferentes associadas em paralelo. A dupla de LEDs será composta de uma lâmpada de cor azul ou branco, que ascendem em uma faixa de tensão muito próxima, e outra de cor laranja, amarela, verde ou vermelha, pelo mesmo motivo. Para representar esse circuito, considerou-se que o motor elétrico é um gerador e que as lâmpadas de LED podem ser representadas por resistores.
Para essa atividade, serão utilizados os seguintes materiais:
Neste experimento, exploraremos:
A partir do experimento, observa-se uma diferença em relação ao brilho dos LEDs do circuito. Para um mesmo valor de voltagem, o LED vermelho brilhou mais que o azul. Essa diferença decorre das características dos materiais semicondutores usados na construção de cada tipo de LED. Traduzindo do inglês, LED significa Diodo Emissor de Luz. O diodo é um elemento que permite a passagem da corrente elétrica somente em um sentido. Os LEDs funcionam através do efeito fotovoltaico, de modo que seu brilho ocorre devido à emissão de luz proveniente da recombinação das cargas negativas do semicondutor. Quando a corrente elétrica passa por um LED, ela excita seus elétrons fazendo-os mover para uma região na qual essa carga precisa de uma menor quantidade de energia para se estabilizar, liberando a energia excedente na forma de luz.
Todos os LEDs operam dessa forma, mas alguns possuem brilhos de cores diferentes. A cor do LED depende principalmente dos materiais utilizados em sua composição: o LED vermelho usa materiais semicondutores como gálio (Ga) ou arseniato de gálio (GaAs), que têm uma banda de energia menor. Dessa forma, os elétrons precisam de menos energia para ir de uma região de menor energia e emitir luz. Já o LED azul usa materiais como nitrato de gálio (GaN), que têm uma banda de energia maior. Isso significa que os elétrons precisam de mais energia para se recombinar e emitir luz azul.
Assim, existe uma relação entre a cor da luz emitida por um LED e a banda de energia do material semicondutor utilizado. Quanto maior a banda de energia, mais energia é necessária para que os elétrons “saltem” de uma região para a outra e o dispositivo possa liberar o maior 19 brilho possível. Assim, é necessária uma maior tensão no circuito para acender totalmente o LED azul do que o vermelho.
Dessa forma, esse segundo experimento mostra que a lâmpada de LED azul precisaria consumir mais energia para acender com o seu brilho máximo do que a lâmpada de LED vermelha. Apesar disso, os dois dispositivos cumprem uma mesma função principal: iluminar. Embora LEDs coloridos possam ter funções diferentes, como por exemplo a decoração de um ambiente, ambos os dispositivos ainda poderiam ser usados com o mesmo propósito de iluminar. Para essa segunda função, a diferença de consumo de energia entre eles é um fator a se considerar.
Nesse sentido, é possível relacionar o experimento ao conceito de consumo sustentável. Se nesse circuito o único objetivo fosse utilizar o LED de forma a iluminar algo, seria mais racional do ponto de vista do consumo sustentável de energia usar os LEDs vermelhos. Esse experimento ilustra como é importante procurar entender e pesquisar sobre os produtos que se usam, compram ou aquilo que se faz no cotidiano e o impacto socioambiental que essa escolha ou ação carrega. No caso dos LEDs, compreender a tecnologia utilizada pelos componentes (gálio, arseniato de gálio ou nitrato de gálio) tem um impacto significativo no seu consumo energético.
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