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Fontes de Energia Elétrica (ART1744)

No estudo de física é fundamental entender como funcionam as fontes de energia elétrica, principalmente aquelas que deverão operar como fontes alternativas. Neste artigo, bastante didático, analisamos as principais fontes de energia elétrica.

 

“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”.

Esta frase, atribuída a Lavoisier, mostra que não podemos criar Enem destruir energia (assim como matéria), mas sim fazer sua transformação.

Em eletricidade, em especial interessam-nos os dispositivos que transformam algum tipo de energia em energia elétrica, denominados geradores e representados conforme mostra a figura 1.

 

   Figura 1 – Os geradores
Figura 1 – Os geradores

 

Os geradores consistem então nos recursos que temos para obter energia elétrica para alimentar nossos equipamentos, lâmpadas, motores e muito mais.

Existem diversos tipos de geradores disponíveis e que devemos conhecer para saber como aproveitar melhor a energia que eles fornecem.

 

Os Geradores Mecânicos

São os geradores que convertem energia mecânica como movimento, força, pressão, etc. em energia elétrica.

O exemplo mais comum é o gerador da usina de energia que aproveita a energia potencial da água numa represa, que ao escoar se transforma em energia cinética e, passando por um alternador, se transforma em energia elétrica, conforme mostra a figura 2.

 

   Figura 2 – A energia de um usina hidroelétrica
Figura 2 – A energia de um usina hidroelétrica

 

Quanto maior for o desnível da água e maior seu fluxo, maior será a quantidade de energia que poderemos obter deste tipo de usina.

Um outro tipo de gerador mecânico é o dínamo da bicicleta que transforma a força mecânica que exercemos ao pedalar em energia elétrica para acender os faróis e lanternas.

 

Figura 3 – O dínamo de bicicleta
Figura 3 – O dínamo de bicicleta

 

O alternador usados nos automóveis, que converte a energia mecânica do motor em energia elétrica, se enquadra na mesma categoria.

 

Geradores Químicos

Reações químicas liberam energia (que está contida nas ligações químicas das substância envolvidas) que pode ser térmica, luminosa ou mecânica.

Sabemos que certas reações produzem calor e existem até aquelas que produzem luz.

No entanto, interessa-nos aquelas que produzem energia elétrica, ou seja, que geram eletricidade e que é aproveitada, por exemplo, nas pilhas.

Colocando dois metais diferentes num recipiente contento um eletrólito, ocorrem reações tais que liberam eletricidade, conforme mostra a figura 4.

 

   Figura 4 – A pilha
Figura 4 – A pilha

 

Nos metais temos então o aparecimento de uma diferença de potencial.

Quando ligamos um circuito a estes eletrodos de metal, circula uma corrente elétrica que transfere energia para este circuito.

Se for uma lâmpada, por exemplo, ela acenderá, convertendo a energia elétrica em luz.

É claro que o processo dura somente durante o tempo em que a substância que libera energia estiver presente.

À medida que ela se esgota o fornecimento de energia elétrica vai diminuindo até que dizemos que a pilha se esgota.

Um tipo interessante de gerador químico é a bateria recarregável ou acumulador, representada na figura 5.

 

   Figura 5 – A bateria
Figura 5 – A bateria

 

Nesta bateria as substâncias em seu interior não possuem nenhuma energia que possa ser liberada e convertida em energia elétrica.

Precisamos entregar esta energia às substâncias, modificando sua natureza, de modo que elas possam reter energia.

Assim, fazendo circular uma corrente pela bateria, ocorre uma transformação química e a absorção de energia pelas substâncias.

Quando a bateria está carregada, poderemos utilizar esta energia armazenada no processo.

Assim, ligando um circuito externo, circula uma corrente que entrega a energia armazenada na forma química, passando-a para a forma elétrica, até ocorrer o esgotamento.

 

Células ou Pilhas Solares

Também conhecidas como células foto-voltáicas, estas células convertem a luz em energia elétrica.

Uma especial atenção tem sido dada a este tipo de gerador, pois a quantidade de energia que o sol nos envia na forma de luz e calor é muito grande, podendo consistir numa excelente fonte alternativa para os próximos anos.

Isso só não ocorre atualmente pelo rendimento dessas células e pelo seu custo é ainda muito alto.

Teoricamente o sol ao meio dia nos envia 1 kW de energia por metro quadrado, mas as melhores células solares não aproveitam nem 20% disso e seu custo é muito elevado.

A célula solar ainda consiste numa excelente fonte para aplicações em que precisamos de pouca energia ou onde não conseguimos obter outras formas de energia.

O princípio de funcionamento de uma célula solar é mostrado na figura 6.

 

   Figura 6 - célula solar
Figura 6 - célula solar

 

Para alimentar projetos que exijam tensões na faixa de 1,5 V a 12 V com correntes até perto de 1 A, podemos contar com células solares de baixo custo e até aproveitada de alguns aparelhos fora de uso.

Na figura 7 mostramos células que podem ser obtidas de calculadoras ou mesmo compradas a um preço bastante acessível.

 

   Figura 7 – Células de baixo custo
Figura 7 – Células de baixo custo

 

Estas células, como qualquer outra fonte de energia elétrica podem ser ligadas em série para se obter tensão maior e/ou paralelo para se obter corrente maior.

 

Células Termoelétricas

As células termoelétricas ou pares termoelétricos apresentam um rendimento muito baixo na conversão de calor em energia elétrica.

Na figura 8 temos um exemplo de célula desse tipo.

 

   Figura 8 – A célula termoelétrica
Figura 8 – A célula termoelétrica

 

Como a tensão é muito baixa e a corrente também estas células são mais utilizadas como sensores.

 

Células Atômicas

A desintegração de materiais radioativos como o urânio, radio, promécio e outros libera uma enorme quantidade de energia, pois trata-se da conversão direta de matéria em energia.

Segundo Einstein uma pequeníssima quantidade de matéria que se desintegre totalmente fornece uma quantidade imensa de energia.

No entanto, a energia elétrica a partir deste processo é obtida de forma indireta.

Nas usinas nucleares, por exemplo, o calor liberado no processo é usado para aquecer água, obter vapor e usar este vapor para girar turbinas nas quais são acoplados os alternadores.

De uma forma mais simples, e pilhas atômica de pequenas dimensões usadas em aplicações que necessitam pouca energia, temos o uso de um material radioativo que se torna fluorescente como o rádio ou o promécio e sobre eles colocamos uma foto-célula que converte a luz emitida em eletricidade, conforme mostra a figura 9.

 

   Figura 9 – Pilha atômica
Figura 9 – Pilha atômica

 

A vantagem deste tipo de fonte de energia é sua durabilidade que pode ser medida em anos, dezenas de anos ou até mesmo centenas de anos.

 

Outros tipos de geradores

Existem muitas outras formas de obter energia através de transformações.

Uma delas é a chamada pilha a combustível, cuja estrutura básica é mostrada na figura 10.

 

   Figura 10 – Pilhas a combustível
Figura 10 – Pilhas a combustível

 

 

Injetando-se um gás combustível num eletrodo e oxigênio em outro consegue-se uma reação de combustão, que gera energia elétrica em grandes quantidades.

Se o gás usado como combustível for o hidrogênio, temos a vantagem de que o resultado do processo é extremamente limpo: temos a produção de água e grande quantidade de energia elétrica.

Pilhas deste tipo já são usadas em veículos, satélites e outras aplicações, mas infelizmente ainda são caras e em alguns casos precisam funcionar em temperaturas elevadas.

Processos que envolvem criaturas vivas também podem ser utilizados para gerar energia elétrica, mas a quantidade é muito pequena, como no caso dos peixes elétricos.

Eles produzem descargas de alta tensão, em alguns casos, mas sua duração é muito pequena para ter utilidade.

Existem estudos, entretanto, que permitem obter energia elétrica da decomposição de substâncias orgânica e mesmo da atividade de bactérias, mas ainda sem aplicações práticas importantes.

Um aplicação curiosa é de um aparelho gerador que fermenta cereais para fabricar cerveja e que no processo libera energia para carregar um celular.

 

 

 

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