TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÈTRICA

 

TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÈTRICA

                                    USINA GERADORA DE ENERGIA ELETRICA

                                    Sabemos que a energia elétrica utilizada em nossas casas, nas indústrias etc. ,chega até nós por meio de uma corrente alternada. Essa corrente é produzida nas grandes centrais elétricas por geradores que funcionam de maneira semelhante.

                                    Estes geradores nada mais são do que dispositivos que transformam uma forma de qualquer de energia em energia elétrica. Em um usina hidrelétrica  por exemplo  a energia mecânica da queda-d´água é aproveitada para colocar o gerador em rotação e , portanto, nesta usina temos a transformação de energia mecânica em energia elétrica. Nas usinas termoelétricas, o gerador é acionado pelo vapor d´água que sai de uma caldeira aquecida. Para aquecer esta  caldeira, utiliza-se o calor produzido na combustão de óleo ou carvão e, assim , nesta usina, termos a transformação de energia térmica em energia elétrica, as usinas nucleares funcionam da mesma maneira que uma usina termoelétrica, com a usina diferença de que o calor utilizado para produzir o vapor que aciona o gerador é obtido por meio de reações nucleares que se desenvolvem em um reator atômico . Portanto, nestas usinas, temos a transformação de energia nuclear em energia elétrica.

                                    POR QUE A TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRIA É FEITA COM ALTA VOLTAGEM

                                    Qualquer que seja o tipo de usina escolhido produção de energia elétrica, em qualquer parte do mundo, ela será sempre construída para gerar corrente alternada. Procuraremos mostrar, a seguir, o motivo desta escolha, isto é, por que não se usa a corrente continua para distribuir a energia elétrica produzida nas grandes usinas de qualquer país.

                                    O motivo preponderante desta escolha esta relacionada com as perdas de energia, por efeito Joule, que ocorrem nos fios que transportam a corrente elétrica a longas distancias. Para analisar este fato, na qual um gerador produz corrente elétrica, u é transformada pelo fios, para ser utilizada na rede elétrica de um residência. Sendo V_AB  a voltagem entre os pólos do gerador e i a corrente entre nos fios, a potencia fornecia pelo gerador é P₁ = iV_AB. Mas, sendo r a resistência total dos  fios transportadores , a potencia desenvolvida nestes fios sob a forma de calor ( efeito Joule) será P₂ = r i² .Assim, a potencia P, que é recebida na residência, será

                                                                       P = P₁- P₂         OU  P = iV_AB – r i²

 

                                    É evidente que a perda por efeito Joule nos fios (P₂ = r i²) deve ser a menor  possível, Para isso, deveríamos procurar diminuir os valor de r e de i. O valor de r só pode ser diminuído se for aumentada a área da secção reta dos fios, isto é  usando-se fios mais grossos. Entretanto, existe um limite para este procedimento, pois cabos muito grosso, além de terem custo elevado tronariam a rede de transmissão extremamente pesada. Assim  solução mais adequada é procurar reduzir a valor da corrente i a ser transmitida, Como a potencia P₁ = iV_AB , fornecida pelo gerador  não pode sofrer alteração, se o valor de i for reduzido o valor da corrente i a ser transmitida. Como a potencia P₁ = iV_AB, fornecida pelo gerado, não pode sofre alteração, se o valor de i for reduzida, teremos de aumentar o valor de V_AB de ,modo a manter inalterado o valor desta potencia, Concluirmos assim quem para reduzir as perdas por aquecimento nos fios transportados e alta voltagem.

                                    Esta é exatamente a solução adotada pelo engenheiros eletricistas ao projetarem as linhas de transmissão. O valor da alta voltagem em cada caso depende da potencia a ser transmitida e da distancia entre a usina e a usina e o local de consumo. Assim, são usadas voltagens de 100 000 V, 250 000 V, 480 000 V etc. e, atualmente, já são projetadas transmissões com até 1 000 000 V, Não é possível, entretanto, elevar indefinidamente o valor destas altas voltagens, porque acima de certos valores o ar em volta do fio torna-se condutor, permitindo o escoamento de eletricidade, o que constituiria outra forma de perda de potencia.

 

A VOLTAGEM ALTERNADA PODE SER FACILMENTE ELEVADA OU REDUZIDA

                                    As altas voltagens necessárias para a transmissão de energia elétrica não podem ser fornecidas diretamente por um gerador, seja de  corrente alternada, seja de corrente contínua. De fato, os maiores geradores das grandes usinas fornecem voltagem em torno de 10 000 V. Então, torne-se necessário, para a transmissão, elevar consideravelmente os valores das voltagens fornecidas pelos geradores.

                                    Se o gerador fosse de corrente contínua, não haveria condições de resolver este problema, pois, um elevador de voltagem, isto é, um transformado e, não funciona com corrente contínua. Por outro lado, se o gerador for de corrente alternada, será relativamente fácil  elevar a voltagem produzida usando-se aquele aparelho, Além disso, devemos nos lembrar de que, ao chegar nos centros de consumo, a alta voltagem deverá ser consumidor receber em sua casa voltagens de calores tão elevados como aqueles da transmissão. Com a escolha de corrente alternada, este problema também é facilmente resolvido com um transformador, que passa agora a reduzir os valores da alta voltagem.

                                    Esta facilidade de elevar ou reduzir uma voltagem alternada é o fator preponderante que levou os engenheiros a darem preferencia aos sistemas de produção, transmissão e distribuição d energia elétrica por meio de corrente alternada.

 

 

 

A UTILIDADE DO TRANSFORMADOR NA TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRICA

                                    A distribuição de energia tem as sucessivas transformações de voltagem que ocorrem deste a geração na usina até sua utilização pelo consumidor.

                                    Observe que logo após a voltagem alternada ser produzida em um gerador ( cerca de 10 000 V), o valor é elevado ( para 300 000 V, por exemplo) por meio de transformadores existentes na subestação próxima à usina. Com esta alta voltagem, a energia elétrica é transportada  a longas distancias até chegar no centro consumidor ( uma cidade, por exemplo) , nas proximidades do qual se localiza um outra subestação. Neste local, os transformadores reduzem a voltagem para valores ( cerca de 13 000 V) com os quais ela é distribuída aos consumidores industrias e pelas ruas da cidade. Finalmente, nas proximidades das resistências existem transformadores ( Nos postes da rua) que reduzem ainda mais a voltagem ( para 110 V ou 220 V), de modo que ela possa ser utilizada, sem risco, pelo consumidor residencial.

 

VOLTAGEM DE PICO E VOLTAGEM EFICAZ

                                    Portanto, a voltagem que recebemos em nossas residências, proveniente do transformador de rua, é uma voltagem alternada, isto é, o seu sentido é invertido periodicamente. Como já dissemos, esta inversões de sentido são muito rápida, pois  a sua frequência é de 60 Hertz isto é, a voltagem muda de sentido 120 vezes por segundo.

                                    Em um gráfico pode-se  mostrar que a voltagem não é constante, como acontece com uma corrente contínua. O seu valor varia rapidamente: passa por um valor máximo, decresce, chega a zero, inverte de sentido, atinge um valor igual ao valor máximo, porém em sentido contrário , torna a se anular e assim sucessivamente.

                                    O valor máximo atingido pela voltagem alternada é denominado valor de pico. Entretanto, quando fornecemos o valor de uma voltagem alternada, estamos normalmente nos referindo não á voltagem de pico, mas a uma quantidade de denominada valor eficaz da voltagem, Este valor eficaz seria o valor de uma voltagem constante (continua) que dissipasse, durante o tempo de um período, em uma resistência R , a mesma energia térmica que é dissipa em R pela voltagem alternada, durante o mesmo o intervalo de tempo. Pode-se mostrar que entre a voltagem eficaz e a voltagem de pico existe a seguinte relação.

                                              

                                                 V ( eficaz ) = TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÈTRICA

                                    USINA GERADORA DE ENERGIA ELETRICA

                                    Sabemos que a energia elétrica utilizada em nossas casas, nas indústrias etc. ,chega até nós por meio de uma corrente alternada. Essa corrente é produzida nas grandes centrais elétricas por geradores que funcionam de maneira semelhante.

                                    Estes geradores nada mais são do que dispositivos que transformam uma forma de qualquer de energia em energia elétrica. Em um usina hidrelétrica  por exemplo  a energia mecânica da queda-d´água é aproveitada para colocar o gerador em rotação e , portanto, nesta usina temos a transformação de energia mecânica em energia elétrica. Nas usinas termoelétricas, o gerador é acionado pelo vapor d´água que sai de uma caldeira aquecida. Para aquecer esta  caldeira, utiliza-se o calor produzido na combustão de óleo ou carvão e, assim , nesta usina, termos a transformação de energia térmica em energia elétrica, as usinas nucleares funcionam da mesma maneira que uma usina termoelétrica, com a usina diferença de que o calor utilizado para produzir o vapor que aciona o gerador é obtido por meio de reações nucleares que se desenvolvem em um reator atômico . Portanto, nestas usinas, temos a transformação de energia nuclear em energia elétrica.

                                    POR QUE A TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRIA É FEITA COM ALTA VOLTAGEM

                                    Qualquer que seja o tipo de usina escolhido produção de energia elétrica, em qualquer parte do mundo, ela será sempre construída para gerar corrente alternada. Procuraremos mostrar, a seguir, o motivo desta escolha, isto é, por que não se usa a corrente continua para distribuir a energia elétrica produzida nas grandes usinas de qualquer país.

                                    O motivo preponderante desta escolha esta relacionada com as perdas de energia, por efeito Joule, que ocorrem nos fios que transportam a corrente elétrica a longas distancias. Para analisar este fato, na qual um gerador produz corrente elétrica, u é transformada pelo fios, para ser utilizada na rede elétrica de um residência. Sendo V_AB  a voltagem entre os pólos do gerador e i a corrente entre nos fios, a potencia fornecia pelo gerador é P₁ = iV_AB. Mas, sendo r a resistência total dos  fios transportadores , a potencia desenvolvida nestes fios sob a forma de calor ( efeito Joule) será P₂ = r i² .Assim, a potencia P, que é recebida na residência, será

                                                                       P = P₁- P₂         OU  P = iV_AB – r i²

 

                                    É evidente que a perda por efeito Joule nos fios (P₂ = r i²) deve ser a menor  possível, Para isso, deveríamos procurar diminuir os valor de r e de i. O valor de r só pode ser diminuído se for aumentada a área da secção reta dos fios, isto é  usando-se fios mais grossos. Entretanto, existe um limite para este procedimento, pois cabos muito grosso, além de terem custo elevado tronariam a rede de transmissão extremamente pesada. Assim  solução mais adequada é procurar reduzir a valor da corrente i a ser transmitida, Como a potencia P₁ = iV_AB , fornecida pelo gerador  não pode sofrer alteração, se o valor de i for reduzido o valor da corrente i a ser transmitida. Como a potencia P₁ = iV_AB, fornecida pelo gerado, não pode sofre alteração, se o valor de i for reduzida, teremos de aumentar o valor de V_AB de ,modo a manter inalterado o valor desta potencia, Concluirmos assim quem para reduzir as perdas por aquecimento nos fios transportados e alta voltagem.

                                    Esta é exatamente a solução adotada pelo engenheiros eletricistas ao projetarem as linhas de transmissão. O valor da alta voltagem em cada caso depende da potencia a ser transmitida e da distancia entre a usina e a usina e o local de consumo. Assim, são usadas voltagens de 100 000 V, 250 000 V, 480 000 V etc. e, atualmente, já são projetadas transmissões com até 1 000 000 V, Não é possível, entretanto, elevar indefinidamente o valor destas altas voltagens, porque acima de certos valores o ar em volta do fio torna-se condutor, permitindo o escoamento de eletricidade, o que constituiria outra forma de perda de potencia.

 

A VOLTAGEM ALTERNADA PODE SER FACILMENTE ELEVADA OU REDUZIDA

                                    As altas voltagens necessárias para a transmissão de energia elétrica não podem ser fornecidas diretamente por um gerador, seja de  corrente alternada, seja de corrente contínua. De fato, os maiores geradores das grandes usinas fornecem voltagem em torno de 10 000 V. Então, torne-se necessário, para a transmissão, elevar consideravelmente os valores das voltagens fornecidas pelos geradores.

                                    Se o gerador fosse de corrente contínua, não haveria condições de resolver este problema, pois, um elevador de voltagem, isto é, um transformado e, não funciona com corrente contínua. Por outro lado, se o gerador for de corrente alternada, será relativamente fácil  elevar a voltagem produzida usando-se aquele aparelho, Além disso, devemos nos lembrar de que, ao chegar nos centros de consumo, a alta voltagem deverá ser consumidor receber em sua casa voltagens de calores tão elevados como aqueles da transmissão. Com a escolha de corrente alternada, este problema também é facilmente resolvido com um transformador, que passa agora a reduzir os valores da alta voltagem.

                                    Esta facilidade de elevar ou reduzir uma voltagem alternada é o fator preponderante que levou os engenheiros a darem preferencia aos sistemas de produção, transmissão e distribuição d energia elétrica por meio de corrente alternada.

 

 

 

A UTILIDADE DO TRANSFORMADOR NA TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRICA

                                    A distribuição de energia tem as sucessivas transformações de voltagem que ocorrem deste a geração na usina até sua utilização pelo consumidor.

                                    Observe que logo após a voltagem alternada ser produzida em um gerador ( cerca de 10 000 V), o valor é elevado ( para 300 000 V, por exemplo) por meio de transformadores existentes na subestação próxima à usina. Com esta alta voltagem, a energia elétrica é transportada  a longas distancias até chegar no centro consumidor ( uma cidade, por exemplo) , nas proximidades do qual se localiza um outra subestação. Neste local, os transformadores reduzem a voltagem para valores ( cerca de 13 000 V) com os quais ela é distribuída aos consumidores industrias e pelas ruas da cidade. Finalmente, nas proximidades das resistências existem transformadores ( Nos postes da rua) que reduzem ainda mais a voltagem ( para 110 V ou 220 V), de modo que ela possa ser utilizada, sem risco, pelo consumidor residencial.

 

VOLTAGEM DE PICO E VOLTAGEM EFICAZ

                                    Portanto, a voltagem que recebemos em nossas residências, proveniente do transformador de rua, é uma voltagem alternada, isto é, o seu sentido é invertido periodicamente. Como já dissemos, esta inversões de sentido são muito rápida, pois  a sua frequência é de 60 Hertz isto é, a voltagem muda de sentido 120 vezes por segundo.

                                    Em um gráfico pode-se  mostrar que a voltagem não é constante, como acontece com uma corrente contínua. O seu valor varia rapidamente: passa por um valor máximo, decresce, chega a zero, inverte de sentido, atinge um valor igual ao valor máximo, porém em sentido contrário , torna a se anular e assim sucessivamente.

                                    O valor máximo atingido pela voltagem alternada é denominado valor de pico. Entretanto, quando fornecemos o valor de uma voltagem alternada, estamos normalmente nos referindo não á voltagem de pico, mas a uma quantidade de denominada valor eficaz da voltagem, Este valor eficaz seria o valor de uma voltagem constante (continua) que dissipasse, durante o tempo de um período, em uma resistência R , a mesma energia térmica que é dissipa em R pela voltagem alternada, durante o mesmo o intervalo de tempo. Pode-se mostrar que entre a voltagem eficaz e a voltagem de pico existe a seguinte relação.

                                              

                                          V ( eficaz ) = V (depois)/ √2

Então, para o caso, o valor da voltagem eficaz é V( eficaz) = 154/√2 = 154/1,4   ou    V( eficaz) = 110V.

                                    Portanto, a representação exatamente a voltagem nas tomadas elétricas das resistências em um grande número de cidades, nas quais o valor eficaz é 110 V e o  valor de pico é 154 V.

 

O FIO NEUTRO E Os FIOS DE FASE

                                    Como usualmente a voltagem obtida no transformador de rua é transferida para uma residência, Isto é feito por meio de três fios: um deles, denominado fio e neutro,  sai do ponto central do secundário do transformador que esta  ligado à Terra; outros dois são denominados fios de fase  e saem dos pontos extremos deste secundários. Entre cada fase  e o neutro  existe uma voltagem eficaz de 110 V, Assim temos V =110 V e V = 110 V. Entre as duas fase  há uma voltagem eficaz de 220 V. Entre m na residência , é possível instalar tomadas de 110 V ( usando-se uma fase e um neutro) e tomada de 220 V ( usando-se as duas fases).

                                    Em algumas instalações elétricas, entretanto, a resistência é ligada ai transformador de rua apenas por uma das fases e pelo neutro, É claro que nestas residências só poderão ser instaladas tomadas 110 V.

 

LINHAS DE TRANSMISSÃO COM CORRENTE CONTÍNUA

 

                                    Nos últimos tempos, têm surgido algumas novidades relacionadas com a transmissão de energia elétrica as longas distancia. Os engenheiros e técnicas têm constado que, para transmissões a distancias superiores a cerca de 500 km, a corrente contínua mostra-se mais vantajosa do que a corrente alternada Isto ocorre principalmente pelos motivos que analisaremos a seguir.

                                    Sabe-se que o método mais adequado para transmitir corrente alternada é o sistema denominado trefásico, que utiliza três cabos ligando os dois pontos de transmissão ( observe o sistema de alta vantagem nos postes de rua, que é exatamente este).Por outro lado, um sistema de transmissão por corrente contínua necessita de apenas dois cabos. Portanto , o custo dos cabos de uma linha de transmissão com corrente contínua seria apenas 2/3 daquele que se tem em um linha de corrente alternada. Além disso, pode-se mostrar que, para se obter a mesma perda por efeito Joule , os cabos em corrente alternada teriam que ser mais grossos do que em corrente continua. Este fato acarretaria um custo ainda menor da linha com corrente contínua.

                                    Entretanto, apenas destas vantagens, a corrente contínua apresenta alguns inconvenientes, pois sua voltagens não pode ser transformada facilmente como já sabemos. Assim, para transmissão em corrente contínua, os geradores devem ainda ser de voltagem alternada, e só depois que esta voltagem é aumentada por meio dos transformadores é que ela é retificada para ser transmitida. Ao chegar ao local de consumo, a corrente contínua deve ser transformada novamente em corrente alternada para sua voltagem possa ser reduzida antes de ser distribuída. È claro que todas estas  operações implicam custos, de modo que apenas para transmissão a longas distancias as economias feitas com os cabos poderão compensar estes custos . Em países de grandes dimensões, como a Rússia, os Estado Unidos e o Brasil, essas condições são fácies de ocorrer e por isso mesmo, o sistema de transmissão com corrente contínua já se encontra em implantação nestes países.

                                   

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

 (depois)/ √2

Então, para o caso, o valor da voltagem eficaz é V( eficaz) = 154/√2 = 154/1,4   ou    V( eficaz) = 110V.

                                    Portanto, a representação exatamente a voltagem nas tomadas elétricas das resistências em um grande número de cidades, nas quais o valor eficaz é 110 V e o  valor de pico é 154 V.

 

O FIO NEUTRO E OS FIOS DE FASE

                                    Como usualmente a voltagem obtida no transformador de rua é transferida para uma residência, Isto é feito por meio de três fios: um deles, denominado fio e neutro,  sai do ponto central do secundário do transformador que esta  ligado à Terra; outros dois são denominados fios de fase  e saem dos pontos extremos deste secundários. Entre cada fase  e o neutro  existe uma voltagem eficaz de 110 V, Assim temos V =110 V e V = 110 V. Entre as duas fase  há uma voltagem eficaz de 220 V. Entre m na residência , é possível instalar tomadas de 110 V ( usando-se uma fase e um neutro) e tomada de 220 V ( usando-se as duas fases).

                                    Em algumas instalações elétricas, entretanto, a resistência é ligada ai transformador de rua apenas por uma das fases e pelo neutro, É claro que nestas residências só poderão ser instaladas tomadas 110 V.

 

LINHAS DE TRANSMISSÃO COM CORRENTE CONTÍNUA

 

                                    Nos últimos tempos, têm surgido algumas novidades relacionadas com a transmissão de energia elétrica as longas distancia. Os engenheiros e técnicas têm constado que, para transmissões a distancias superiores a cerca de 500 km, a corrente contínua mostra-se mais vantajosa do que a corrente alternada Isto ocorre principalmente pelos motivos que analisaremos a seguir.

                                    Sabe-se que o método mais adequado para transmitir corrente alternada é o sistema denominado trefásico, que utiliza três cabos ligando os dois pontos de transmissão ( observe o sistema de alta vantagem nos postes de rua, que é exatamente este).Por outro lado, um sistema de transmissão por corrente contínua necessita de apenas dois cabos. Portanto , o custo dos cabos de uma linha de transmissão com corrente contínua seria apenas 2/3 daquele que se tem em um linha de corrente alternada. Além disso, pode-se mostrar que, para se obter a mesma perda por efeito Joule , os cabos em corrente alternada teriam que ser mais grossos do que em corrente continua. Este fato acarretaria um custo ainda menor da linha com corrente contínua.

                                    Entretanto, apenas destas vantagens, a corrente contínua apresenta alguns inconvenientes, pois sua voltagens não pode ser transformada facilmente como já sabemos. Assim, para transmissão em corrente contínua, os geradores devem ainda ser de voltagem alternada, e só depois que esta voltagem é aumentada por meio dos transformadores é que ela é retificada para ser transmitida. Ao chegar ao local de consumo, a corrente contínua deve ser transformada novamente em corrente alternada para sua voltagem possa ser reduzida antes de ser distribuída. È claro que todas estas  operações implicam custos, de modo que apenas para transmissão a longas distancias as economias feitas com os cabos poderão compensar estes custos . Em países de grandes dimensões, como a Rússia, os Estado Unidos e o Brasil, essas condições são fácies de ocorrer e por isso mesmo, o sistema de transmissão com corrente contínua já se encontra em implantação nestes países.

                                   

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

 

AMPLIFICAÇÃO DE LUZ POR EMISSÃO ESTIMULADO DE RADIÇÃO – LASER

 

AMPLIFICAÇÃO DE LUZ POR EMISSÃO ESTIMULADO DE RADIÇÃO – LASER

                                    O que é um raio laser

                                    - O Laser  é um tipo especial de radiação eletromagnética visível, cujas aplicações tecnológicas e cientificas vêm crescendo dia a dia.

                                    O termo laser é constituído pelas inicias das seguintes palavras inglesas :  light amplification by stimuland  emission of radiation,  que significam ” amplificação da luz por emissão estimulada da radiação”. Um fixe de raios  laser distingue-se da luz comum oir apresentar algumas características próprias.

                                    - O feixe de  laser apresenta-se sempre com intensidade muito elevada, isto é , há grande concentração de energia em áreas muito pequenas ( feixes muito finos). Por exemplo, um laser de potencia baixa, em torno de alguns miliwatts, apresenta brilho considerável, muito superior ao da luz emitida por uma lâmpada de 60 watts. Além disso, este intenso feixe é constituído de raios praticamente paralelo, que podem se propagar por distâncias muito grandes sem se dispensar ( os raios se mantêm quase paralelos, com divergência muito baixa).

                                    - A luz do laser é monocromática, isto é, ela é constituída da radiações que apresentam uma única frequência, de valor bem determinado. Com a luz comum seria muito difícil obter esse grau de monocromaticidade, pois ela se apresenta como uma mistura de radiações de varias frequências.

                                    - A luz de um feixe de laser é corrente, enquanto em feixe de luz comum é incoerente. Esta denominação indica eu , na luz comum, as cristas e os vales das ondas luminosas se distribuem aleatoriamente uns em relação aos outros, isto é, estão defasada  entre si, e esta defasagem  não permanece constante no decorre do tempo.

Por outro lada, as diversas radiações que constituem um feixe de  laser  estão rigorosamente  em fase, havendo coincidência entre as cristais e, consequentemente, entre os vales. Dizemos, então, que a luz os  lazer é coerente.

                                    - A expressão “ emissão estimulada “ , que aparece no termo laser , indica uma mineira incomum pela qual um átomo emite radiação. Normalmente, esta emissão é feita por processo denominado emissão espontânea; um elétron  que foi transferido para um outro nível de energia mais elevado em um átomo , tende naturalmente a voltar para um nível de energia mais baixo ( mais estável) . A energia perdida pelo elétron  nesta  transição , é irradiada sob a forma de um pulso de luz , denominado fóton. O elétron é induzido a sofre a transição pela passagem de um fóton no interior do átomo. Como consequência desta transição, há emissão de um fóton, exatamente em fase com o fóton incidente. Dizemos que é uma emissão estimulada de radiação e, como resultado , dois fótons em fase abandonam o átomo . Em um substancia que esta emitindo um laser , este processo  ocorre em um número enorme de átomos , que foram previamente excitados. Por exemplo, mesmo em um  laser  de baixa potencia temos a emissão de, no mínimo 10¹⁵ fóton por exemplo.

                                    APLICAÇÕES DO LASER

                                               São inúmeros as aplicações dos raios   laser  em diversos setores da ciência, da tecnologia e de nosso cotidiano, Entre elas podemos citar:

- leitura do código universal de produtos, para conferir preços de mercadorias em supermercados.

- em telecomunicações utilizando cabo de fibra ótica, para transportar sinais de TV e telefones.

- para soldar e cortar metias

-para medir, com precisão, distancia s muito grandes como, por exemplo, a distancia da Terra à Lua

-para furar orifícios muito pequenos e bem definidos, em substancias duras

-em CDs e vídeos-discos, para reprodução com altíssima fidelidade e sem  ruído de sons e imagens

- na holografia, para obtenção de fotografia s tridimensionais de um  objeto ( hologramas);

- nas medicina ,em cirurgias para substituição de bisturis na endoscopia  e para soldar retinas descoladas.

As aplicações do laser vêm se tornando tão amplas e diversificadas que seria praticamente impossível relacionar todas elas.

 

 

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

 

As unificações das teorias físicas

 

                                    As unificações das teorias físicas

                                    Um fato de grande relevância para o desenvolvimento da Física foi analisada nesta seção: dois importantes ramos desta ciência, a Ótica e a Eletricidade, que eram estudados com base em princípios independentes, passaram a ser descritos a partir de um única teoria, sintetizada pelas equações de Maxwel. Ocorreu, então, a unificação ( ou a síntese ) destes dois grandes campos da Física.

                                    Em outros momentos da historia de Física foram, também  observadas unificações tão importantes quanto essa e, ainda na atualidade, novas síntese continuam a ser propostas e pesquisadas, buscando-se descrever o maior número possível de fenômenos naturais cada vez com um número menor de princípios fundamentais. Analisaremos, a seguir, de maneira suscita as grandes unificações que até hoje os fiscos conseguiram estabelecer ao longo da evolução desta importante área de conhecimento.

                                    A primeira grande unificação que citaremos, denominada  Síntese Newtoniana, estabeleceu a universalidade das leis da Mecânica, Como vimos, a Física Aristotélica afirmava quão as leis referentes aos movimentos dos corpos celestes eram diferentes daquelas que eram obedecidas pelos corpos na superfície da Terra. Ao publicar os  Principia, Newton mostrou que as leis básicas por ele estabelecidas poderiam ser usadas para descrever os movimentos de quaisquer corpos ( celeste ou terrestre).

                                    As experiências de Oersted, e estudos posteriores desenvolvidos por Ampére e Faraday, mostraram que os fenômenos elétricos e magnéticos tinham a mesma origem, A Eletricidade e o Magnetismo foram unificados, originando um novo campo de estudos mais abrangentes, denominada Eletromagnetismo. Como citamos inicialmente, cerca de 50 anos depois os trabalhos de Maxwel tornariam o campo do Eletromagnetismo muito, mas amplo, incorporado também a Ótica a esta área.

                                    No inicio do século XX, após te, terem ocorrido às sínteses mencionadas, tudo parecia indicar que apenas dois tipos de força estavam presentes em qualquer fenômeno natural: a força de origem gravitacional e a força de origem eletromagnética. Durante grande parte de sua vida, Albert Einstein tentou estabelecer a unificação dessas forças, procurando uma teoria que pudesse descrevê-las com base em um mesmo principio fundamental. A busca da Teoria do Campo Unificado, como ele foi denominada, até hoje não teve êxito, apesar de muitos cientistas da atualidade continuar a realizar pesquisas neste sentido.

                                    Com o desenvolvimento da Física Nuclear, os cientistas constataram a existência de dois outros tipos de força, que se manifestam somete entre partículas que constituem o núcleo atômico, Essas forças foram denominadas força nuclear fraca e força nuclear forte.

A força nuclear franca entre duas partículas é cerca de 100 000 vezes menor que a força eletromagnetismo que também se manifesta entre elas, mas seu alcance é muito pequeno, pois ela não atua quando as partículas se encontram separadas das por distâncias superiores a 10^{-16 cm. Esta força se manifesta, praticamente, entre quaisquer tipos de partículas, Por outro lado, a força nuclear forte se manifesta apenas entre algumas partículas infestando-se para distancia  de até 10-13 cm.}

                                    Modernamente, graças aos trabalhos liderados pelo físico paquistanês, radicado na Inglaterra, Abdus Salam , foi obtida uma grande vitória relacionada com a unificação das forças . Apesar de as tentativas de unificação das forças da  natureza  eletromagnéticas e gravitacionais terem fracassado, este cientista conseguiu estabelecer uma teoria na quase chegava á síntese entre a força eletromagnética e força nuclear fraca. Essas ideias puderam ser comprovadas experimentalmente graças aos potentes aceleradores de partículas do CERN. A importância do trabalho de Abdus Salam e sua repercussão na comunidade cientifica internacional foram tais que recebeu , Prêmio Nobel de física, em 1979.

                                    Outras tentativas para unificar as forças da natureza continuam sendo desenvolvidas e há indícios, segundo alguns pesquisadores, de quem a unificação total possa der alcançada dentro de algum tempo. A teoria responsável por essa unificação costuma ser conhecida pela sigla “ TOE” , do inglês theory of everythig ,  isto é, teoria de todas as coisas”.

 

                                   

 

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

 

                                    Heinrich F.E. Lenz ( 1804 – 1865)

                                    Físico russo que enunciou a lei que permite estabelecer o sentido das correntes induzidas. Lenz estudou também a dependência da resistência elétrica com a temperatura.

 

Lei de Lenz

                                    A corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o campo magnético que ela cria tende a contrariar  a variação  do fluxo magnético através da espira.

 

                                    James Clerk Maxwel ( 1831 – 1879)

                                    Físico escocês, cuja importância do estudo da Eletricidade e do Magnetismo é comparada àquela que Newton teve na Mecânica, em virtude do caráter fundamental das  leis que ele estabeleceu. Maxwel deu  também contribuições importantes em outros campos da Física, tais como um estudo da percepção das cores pela nossa vista ( produziu um das primeiras fotografias coloridas) e uma teoria sobre os anéis de Saturno, Entretanto, foi no campo do eletromagnetismo que seus trabalhos tiveram maior real , devendo-se destacar a previsão da existência das ondas eletromagnéticas e um dos triunfos desta teoria, que foi o estabelecimento da natureza eletromagnética da luz.

 

O CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE

O CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE

            A  Terra se comporta como um grande imã , estabelecendo um campo magnético no espaço em tomo dela. ( esfera magnetizada) e de seu campo magnético . O eixo geomagnético, que liga os pólos norte e sul magnéticos, não coincide com o seu geográfico da Terra, isto é, como o eixo de rotação. O ângulo formado por esses eixos é de aproximadamente 13º e, assim,  o pólo sul magnético esta situado a cerca de 1 300 Km do pólo norte geográfico, em um ponto ao norte da baía de Hudson no Canadá ( como você deve se lembrar , o pólo magnético da Terra que está situado próximo ao pólo norte geográfico é m pólo sul magnético).

            Durante muito tempo, os cientistas acreditava que o campo magnético da Terra era criado por enormes porções de minerais de ferro magnetizado, existentes no interior do nosso planeta e distribuídas de maneira a criar o grande imã-Terra.

            Atualmente, sabe-se que esta hipótese não pode ser verdadeira, porque toda a matéria existente no interior da Terra está em temperatura tão elevada que o ferro e o níquel ali presentes estão no estado liquido, Nestas condições, é impossível orientar os imãs elementares dessas substancias, que se mantem em uma distribuição caótica , não dando origem , portanto, a nenhum efeito magnético externo.

            Não há, até a presente data, nenhuma explicação completa e detalhada da origem do campo magnético terrestre . A teoria mais aceita é a de que este campo seria criado por enormes correntes elétricas, circulando na parte liquida do interior da Terra, que é altamente condutora.  Tal teoria explica satisfatoriamente as principais características do campo terrestre e, também, de campos magnéticos existentes em outros planetas, como Mercúrio e Júpiter. Entretanto, a fonte de energia necessária para criar e manter essas correntes é ainda desconhecida, constituindo um tema de pesquisa e interesse permanente. O que há de mais enigmático sobre o campo magnético de nosso planeta são as várias inversões de polaridade que ele já experimentou: observações geológicas permitiram concluir que seu sentido foi invertido cerca de 170 vezes dos últimos 17 milhões de anos, ou seja, os pólos sul e norte magnéticos trocaram de posições , em média, a cada 100 00 anos! Para este fato, também ainda não foi possível encontrar uma explicação adequada.

            AURORA BOREAL E AURORA AUSTRAL

           

            Provavelmente você já ouviu falar destes belos espetáculos de luz e cores, que podem ser observados na atmosfera, nas proximidades dos pólos norte e sul da Terra.

            As termos aurora boreal e aurora austral  significa respectivamente,  “luzes do norte” e “ luzes do sul ” . Estes fenômenos são conhecidos deste a antiguidade, sendo mencionados na mitologia dos esquimós e de outros povos que lhes atribuíam origem sobrenatural. Podemos apresentar-se com variadas formas ( cortinas, arcos , raios etc.)  e cores.

             A causa das auroras esta relacionada com o campo magnético da Terra e uma explicação bem elaborada deste fenômeno só foi possível após o lançamento dos primeiros satélites artificiais. Instrumentos de observação, colocados nesses satélites, permitiram concluir que feixe de partículas eletrizadas ( elétrons e prótons), emitidas pelo Sol, são capturados pelo campo magnéticos terrestre ao passaram nas proximidades da Terra e descrevem trajetórias  espiraladas neste campo. As extensas regiões em torno da Terra, nas quais estas partículas descrevem as trajetórias espiraladas, são denominadas cinturões de Van Allen  em homenagem ao cientista americano que verificou a existência de tais regiões. Grande número dessas partículas são defletidas em direção aos pólos magnéticos da Terra (onde o campo magnético é mais intenso). Ao atingirem a atmosfera, as partículas colidem principalmente com os átomos e moléculas de oxigênio e nitrogênio, fazendo com que eles emitem a luz que constitui a aurora, O fenômeno é, pois, semelhante ao que ocorre em um tubo de TV no qual, como vimos, elétrons acelerado provocam emissão de luz ao colidirem com as substancias da tela.

                                   

WILHELM EDUAR WEBER ( 1804-1891)

                                    Físico alemão que juntamente com o físico Gauss, estudou o magnetismo terrestre. Em 1833 desenvolveu o telegrafo eletromagnético. A unidade de fluxo magnético recebeu o seu nome em virtude dos inúmeros trabalhos que desenvolveu no campo da ciência do magnetismo.

Lei de Faraday ( da Indução Eletromagnética)

                                    Sempre que ocorrer uma variação do fluxo magnético através de um circuito, aparecerá, neste circuito, uma f.e.m., induzida. O valor desta f.e.m., έ , é dado por.

                                                     έ = ΔΦ / Δt

onde ΔΦ é a variação do fluxo observada no intervalo de tempo Δt .

Usinas geradoras da energia elétrica.

                                    As centrais que fornecem energia para os centros consumidores são geralmente de grande porte, gerando potencias elevadíssimas ( milhares de KW), Entretanto seus geradores funcionam, em principio, de maneira idêntica ao alternador que acabamos de analisar.

                                    Conforme o  tipo de energia usada para fazer girar a espira ( ou imã) do gerador, podemos ter, entre outras, as usinas  hidrelétricas, termoelétrica e nuclear –usina hidrelétrica _  nessas usinas, a energia potencial da água armazenada em uma represa se transforma em energia cinética durante sua queda pela pela tubulação. Essa energia é usada para fazer girar uma turbina e seu movimento de rotação pe transmitido dao gerador, produzindo corrente elétrica.

                                    - usina termoelétrica – a energia utilizada nessas usinas  é a térmica , obtida pela combustão de madeira, carvão ou petróleo (óleo combustível ). A energia térmica desprendida na combustão provoca a vaporização da água contida em uma caldeira. Esse vapor, a alta pressão, faz girar uma turbina e essa rotação é transmitida ao gerador.

                                    -  usina nuclear -  as usinas nucelares funcionam da maneira  semelhante a uma usina termoelétrica, mas o calor utilizado para produzir o vapor a alta pressão é proveniente de reação nucleares que ocorre em um reator atômico ( fissões dos núcleos de alguns elementos, como o urânio).

                                    Deve-se  observar que todas essas centrais elétricas funcionam de maneira semelhante , diferindo apenas no tipo de energia que usam para acionar o gerador, a fim obter energia elétrica , Nos casos examinados, tivemos as seguintes transformações:

    energia mecânica

    energia térmica                                   energia elétrica

    energia nuclear

                                    Como a utilização de energia elétrica vem se tornando, a cada dia, mais intensa em vários países, o uso de outras formas de energia tem sido incentivado para acionar as centrais elétricas, Por exemplo: energia eólica ( dos ventos), energia das marés, energia solar, energia geotérmica etc.

                                   

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006