A VÁLVULA ELETRÔNICA E O TRANSISTOR

            A  VÁLVULA ELETRÔNICA E O TRANSISTOR

O que e o efeito termoiônico

            Os elétrons livres em um corpo metálico possuem, a qualquer temperatura, um movimento desordenado em virtude de sua agitação térmica ( de modo semelhante ao que ocorre com as moléculas de um gás). Nesta agitação constante, os elétrons que atingem a superfície do metal são atraídos pelos íons positivos da rede cristalina e, à temperatura ambiente, não possuem energia suficiente para vencer esta atração, permanecendo, assim, no corpo do metal. Entretanto, se a temperatura do corpo for aumentada, a agitação térmica dos elétrons aumentará e um grande número deles conseguirá escapar da atração dos íons positivos.  Estes elétrons que escapam do material passa, a formar uma nuvem eletrônica próxima á superfície do corpo.

            Este fenômeno de emissão de elétrons pela superfície de um metal aquecido é denominado  emissão termoiônica  e foi observado , pela primeira vez, pelo inventor americano Thomas Edison . Por este motivo, a emissão termoiônica costuma ser também denominada  efeito Edison.

Thomas Alva Edison ( 1847 –1931)

            Considerado um gênio da tecnologia, registrou cerca de mil patentes elas a da lâmpada de filamento, a do fonógrafo e a de um projetor de cinema. Tendo montado sua  própria indústria, conseguiu economizar um bom capital, tornando-se , assim , um homem rico. Em 1876 abandonou a fábrica, estabelecendo-se um laboratório de pesquisas industriais.  Foi ai que ele criou suas mais importantes invenções. Em 1883, tentando aperfeiçoar a lâmpada de filamento, descobriu acidentalmente o efeito Edison que está descrito neste tópico.

            Edison , por acaso, detectou o fenômeno da emissão termoiônica . Uma placa metálica havia sido introduzida na parte superior de uma lâmpada elétrica comum, situando-se em frente ao filamento metálico. A placa foi ligada ao pólo positivo de uma bateria B  e o filamento, ao pólo negativo da bateria . Como sabemos pela bateria B` ( efeito Joule), emitia uma grande quantidade de elétron que eram atraídos pela placa . Em virtude disto, Edison observou que um a corrente elétrica era estabelecida no circuito da bateria B, sendo indicada pelo amperímetro. Naquela época , nem Edison nem outros cientistas conseguiram um a explicação para o fato observado.

A VÁLVULA DIODO

            O  efeito termoiônico  encontrada a sua mais importante na construção das  válvulas  eletrônicas,  usadas amplamente como você já deve ter visto, em aparelho de rádio, TV etc.

            A mais simples das válvulas é denominada  diodo  (  o nome indicada que ela possui dois eletrodos) e nada mas é do que uma adaptação da lâmpada com a qual Edison descobriu o efeito termoiônico.

            Ela consiste em um cilindro metálico ( o catodo , isto é, o eletrodo negativo) , que é aquecido por meio de um filamento em seu interior , no qual passa uma corrente elétrica ( os dois pinos aos quais se aplica a voltagem que fornece a corrente ao filamento). Este cilindro é envolvido por outro, também metálico, que constitui o anodo da válvula ( eletrodo positivo). Aplicando-se uma voltagem aos pinos A e B, os elétrons que são emitidos, em virtude do efeito termoiônico, pelo catodo aquecido, dirigem-se para o anodo. É necessário que seja feito o vácuo no interior da válvula para permitir este deslocamento dos elétrons.

O DIODO USADO COMO RETIFICADOR DE CORRENTE ALTERNADA.E

            As válvulas diodo, desde a sua invenção, passaram a ser amplamente empregadas em circuito eletrônico porque é possível, com elas, retificar uma corrente alternada. Em outras palavras, as válvulas diodo transformam  uma corrente alternada em corrente contínua. Para entender por que elas são capazes de produzir este efeito, consideremos um circuito no qual a placa P de um diodo foi ligada ao polo positivo de uma bateria e o catodo, ao polo negativo. Nestas condições, os elétrons emitidos pelo catodo aquecido são atraídos pela placa e, então, uma corrente elétrica se estabelece no circuito, sendo acusada pelo amperímetro. Considere, entretanto, que a ligação tenha sido feita P ligada ao polo negativo e ( que continua a ser aquecido) são repelido por P , não havendo, portanto , passagem de corrente e elétrica entre C e P , logo o amperímetro não acusa corrente no circuito. Portanto , a válvula diodo só permite  a passagem de corrente através dela quando P está em um potencial  e mais alto que o de C.  Em outras  palavras, o diodo só permite a passagem de corrente em um determinado sentido, impedindo que a corrente passe em sentido contrário.         

            Suponha, agora, que m gerador de corrente alternada esteja ligado a uma resistência, R.

            A intensidade da corrente que passa em R varia periodicamente de sentido, ou seja, a corrente passa através de R ora em um sentido , ora em sentido contrário. Se uma válvula diodo for introduzida no circuito, ela só permitirá a passagem da corrente no sentido indicado, impedindo que ela circule no sentido contrário. Desta maneira, a intensidade da corrente, depois da introdução da válvula diodo variará.

            Esta corrente é interrompida periodicamente  ( pulsante) e é retificada, isto é, ela está passando no circuito sempre no mesmo sentido. Apesar de retificada, ela ainda não é uma corrente contínua ( constante) , como aquela fornecida por pilhas ou baterias. Entretanto, é possível associar à válvula diodo certos dispositivos ( capacitores) , de modo a obter , no circuito, uma corrente retificada cuja intensidade é praticamente constante apresentando apenas pequenas flutuações no decorrer do tempo.

           

OUTROS TIPOS DE VÁLVULAS 

           

            Com o desenvolvimento da eletrônica, surgiram, além do diodo, diversos tipos de válvulas, destinadas a desempenhar as mais variadas funções. As que mais têm grande utilidade em aparelhos que encontramos frequentemente em nossa vida diária válvula que constitui o tubo de TV.

            Uma válvula, que é denominada tríodo ( porque  tem três eletrodos). Ela nada mais que é do que um diodo na qual foi introduzido um terceiro eletrodo, denominado grade , e geralmente constituído por uma rede metálica.  Esta válvula tem a finalidade de amplificar sinais elétricos, isto é, com o tríodo conseguimos tornar uma pequena voltagem ( ou uma pequena corrente ) muitas vezes maior.

            A válvula que é encontrada nos aparelhos de TV, usada para produzir as imagens sobre a tela . Esta válvula , denominada tubo de TV , ou canhão eletrônico,  é constituída essencialmente das seguintes partes: um filamento aquecido ( catoto) , uma grade , um anodo cilíndrico , dois pares de placas , P₁ e P₂ , e uma tela fluorescente . Os elétrons emitidos pelo filamento aquecido são acelerados em direção ao anodo por uma diferença de potencial de várias milhares de volts ( cerca de 15 000 V ). Após atravessar o anodo, o feixe de elétrons passa entre as placas P1 e P2  e atinge  a tela, provocando um  que na luminosidade (fluorescência) no ponto de impacto. Entre o par de placas P1 existe um campo elétrico que desvia o feixe para a direita e para a esquerda. Assim, o feixe de elétrons varre a tela totalmente com grande velocidade, fazendo com que ela se apresenta uniformemente iluminada. Obedecendo os sinais que chegam da antena á grade , o feixe de elétrons  adquire maior ou menor intensidade, fazendo com que certas regiões da tela fiquem mais ( ou menos) iluminadas durante a varredura, Este fato dá origem à formação de imagens em preto-e-branco que são na tela.

SEMICONDUTORES TIPO n E p

            É possível que você já tenha ouvido falar que as válvulas eletrônicas estão sendo substituídas por dispositivos muito menores, mas econômicos e mais duráveis, construídos com o auxilio de materiais semicondutores.

            Um semicondutor é uma substancia cuja resistência diminui rapidamente à medida que aumentamos sua temperatura. O silício , como dissemos , é um exemplo típico de material semicondutor.

            Os cientistas verificaram que, adicionando a um semicondutor quantidade muito pequeno de certas substancias (chamadas impurezas), as propriedades elétricas dos semicondutores sofrem consideráveis modificações. Assim, adicionando-se uma pequena quantidade de arsênio a uma amostra de silício, obtém-se um condutor elétrico semelhante a um metal, isto é, a condução elétrica nesta substancia é feita por meio por meio de elétrons livres. Dizemos que um semicondutores como este é o tipo n ( condução feita por cargas negativas). Por outro lado, se uma pequena quantidade de boro é adicionada ao silício puro, verifica-se que ele também conduz eletricidade, mas tudo se passa como se a corrente elétrica fosse constituída pelo movimento de cargas positivas. Por este motivo, dizemos que o silício dopado  com boto é um semicondutor do tipo p ( condução por cargas positivas).

JUNÇÃO  n-p E p-n  USADAS COMO RETIFICADORES

            Suponha que um cristal fosse obtido fazendo-se a junção de um semicondutor  do tipo n com  do tipo outro p. É possível  mostrar que haverá uma troca de cargas elétricas entre eles, fazendo com que, de um lado e de outro da superfície de contato , aprecem cargas positivas e negativas, distribuídas de maneira sequencial e ordenadas.

            Ligando-se uma bateria a um cristal n-p , de modo que o contato do pólo  positivo desta bateria seja feito como o lado n e o do pólo negativo como o lado p , obtemos o circuito. Ao ser estabelecida esta ligação, observa-se um grande aumento das cargas positivas e negativas da junção, este fato impede que a corrente passe através do cristal n-p ( ele se composta como se fosse um material de resistência muito elevada) e , consequentemente , não há corrente no circuito. Entretanto, invertendo-se a polaridade da bateria ( o polo positivo ligado ao lado  p e o negativo ao lado n) haverá uma diminuição considerável das cargas elétricas na junção. Nestas condições, a corrente elétrica pode passar facilmente pelo cristal n-p e o amperímetro acusara a existência uma corrente no circuito.

            Esta analise que acabamos de fazer-nos mostra que um cristal de junção n-p se comporta como uma válvula diodo : deixa a corrente elétrica fluir através dele em um sentido ( de p para n) , mas impede a passagem no sentido contrario ( de n para p). É claro, então, que um cristal n - p, do mesmo modo que uma válvula diodo,  poderá ser usada como retificador de corrente , isto é , ele é um diodo semicondutor, em virtude de não necessitarem de aquecimento, os diodo semicondutores são mais econômico do que as válvulas comuns, não provocam aquecimentos inconvenientes dos aparelhos e começam a funcionar prontamente quando são ligados ( observe que os aparelhos a válvula, ao serem ligados , somente começam a funcionar depois de um certo tempo, necessário para os filamentos se aquecerem) . Além disso, eles apresentam uma série de outras vantagens ( custo , tamanho, durabilidade etc.) que os torna muito mais convenientes do que a válvula de filamento.

O QUE É UM TRANSISTOR

            Não são apenas as válvulas diodo que estão sendo substituídas, com grandes vantagens, por dispositivos construídos á base de semicondutores, Também a  válvula tríodo, que, como dissemos , é usada como o objetivo de amplificar  sinais  elétricos , esta sendo substituída por um cristal constituído  por junções de semicondutores. Em 1948 , três cientista americanos descobriram que um cristal de semicondutores, apresentando duas junções , é capaz de produzir amplificações semelhantes àquelas obtidas com uma válvula tríodo, Estas junções podem ser do tipo n-p-n ou p-n-p . Em qualquer um desses casos  o cristal assim obtido é denominado transistor, constituindo-se , como você já deve ter ouvido falar, em um dos dispositivos mais empregados nos modernos circuitos eletrônicos . Graças ao grande avanço tecnológico possibilitado pelo transistor , seus inventores receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956.

            O uso de cristais retificadores ( junção n-p) e de transistores nos circuitos de rádios, televisores, gravadores, computadores etc. permitiu uma redução considerável no tamanho e no peso destes aparelhos. Os antigos rádios a válvula, por exemplo, eram muito maiores do que os modernos rádios transistorizados. Mesmo com válvulas em miniatura, o maior numero de dispositivos que se conseguia  ligar em circuitos eletrônicos correspondia a  densidade média de 1 elemento por cm³ . Com o uso dos cristais semicondutores, ligados em um circuito impresso, conseguiu-se colocar uma média de até 3 elementos por cm³ ( nos circuitos impressos, os fios de ligação são substituídos por conexão metálicas impressas em uma chapa isolante, na qual os elementos são soldados).

            O avanço de eletrônica dez com que a densidade de  elementos ligados em um circuito se tornasse cada vez  maior. Atualmente, com o uso dos modernos circuitos integrados ( vários  elementos, como resistências , transistores etc., agrupados em uma única peça muito pequena), foi possível atingir a fantástica cifra de 30 000 elementos por cm³. Sem este desenvolvimento tecnológico, que teria dimensões tão exageradas que sua construção seria inviável.

            O circuito integrado costuma ser designado, na linguagem dos técnicos em eletrônica, pelo termo chip, palavra de origem inglesa que significa “ pequeno lasca” esta denominação tem sua origem na maneira pela qual se obtém um chip: uma pequena placa ( lasca) é cortada de um cristal de silício e mínimas quantidades de impurezas são colocadas em determinadas posições desta placa. Estas impurezas são dispostas de maneiras a dar origem a diodos, transistores, resistores, e, até mesmo, a capacitores e indutores ( componentes do circuito que serão analisados posteriormente). Observe, então, que os componentes tradicionais dos circuitos são substituídos por seus equivalentes criados na própria placa do chip , tornando possível a miniaturização. Um chip de apenas 1 cm de lado pode conter centenas de milhares de transistores e seu custo é praticamente igual ao de um  único transistor isolado.

            TV EM CORES

            Vimos, nessa secção, como um feixe de elétrons, proveniente de um canhão de eletrônico, varre a tela de um tubo de TV para formar uma imagem em preto e branco.

            Nos aparelhos de TV em cores, o processo de formação da imagem é muito semelhante ao que descrevermos, Entretanto, neste caso são necessário três canhões eletrônicos diferentes, cada um emitindo um feixe de elétrons, os quais atingem simultaneamente uma pequena região da tela.

            Cada feixe atinge um ponto desta pequena região, fazendo com que em deles emita luz vermelha, outro emita luz verde e o terceiro emita luz azul. São usadas essas cores porque, a partir de sua superposição, é possível obter um número muito grande de cores com diversas tonalidades. Se você observar a tela bem  de perto ( ou usando uma lupa), você perceberá que toda ela é coberta por ponto com essas cores,( em alguns aparelho , e lugar dos pontos coloridos , a tela apresenta lista verticais, muito próximas, com aquelas cores). A intensidade da cor emitida por cada ponto ira depender da i intensidade do feixe de elétrons que o atinge . Cada conjunto de três pontos emitira as três cores básicas, em intensidade dosada convenientemente. Observando a tela de um acerta distancia, nossos olhos não distinguem os três pontos separadamente e perceberemos a cor correspondente à superposição das cores que emitem. Desta maneira, é possível reproduzir  aquele  e nome conjunto de colorações que você vê na tela de uma TV em cores .

  

HANS CHISTIAN OERSTED ( 1777 – 1851)

            Físico dinamarquês que em 1809 se tornou professor da Universidade de Copenhague, onde desenvolveu várias pesquisas no campo da Física e da Química. Em um ensaio publicado em 1813 , previu que deveria existir uma ligação entre a Eletricidade e o Magnetismo. Em 1820, durante aula, descobriu que uma agulha magnética é desviada quando colocada nas proximidades de um condutor que conduz uma corrente elétrica, assim confirmando experimentalmente sua previsão. Oersted foi professor e conferencista conceituado,  dedicando-se ainda a escrever alguns artigos sobre filosofia. Em 1824, fundou uma  sociedade para divulgar os conhecimentos cientifico entre o povo.

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

CÁLCULO DE DIFERENÇA DE POTENCIAL ENTRE DOIS PONTOS DE UM CIRCUITO

CÁLCULO DE DIFERENÇA DE POTENCIAL ENTRE DOIS PONTOS DE UM CIRCUITO

            Suponha que desejássemos calcular diferença de potencial entre dois pontos  A e B  de um circuito qualquer.

            Para obter este valor, devemos imaginar que estivéssemos nos deslocando de A para B , ao  longo do circuito, tanto no sentido da corrente , quanto em sentido contrário a ela. Este deslocamento, ao passarmos por elemento do circuito, o potencial poderá aumentar, diminuir ou não variar , dependendo dos dispositivos que estão presentes no circuito, poderão ocorrer, então as seguintes situações:

            1º Ao passarmos por um gerador, de seu pólo negativo para o pólo positivo, o potencial aumentará de um valor igual a  ɛ. Se a passagem ocorrer em sentido contrário, o potencial diminuirá da mesma  quantidade ɛ.

            2º  Ao passarmos por uma resistência R ( inclusive pela resistência interna do gerador), no mesmo sentido da corrente i , o potencial diminuirá de um valor Ri, Se a passagem ocorrer em sentido contrário, o potencial aumentará da mesma quantidade Ri.

            3º Ao passarmos por um fio de resistência desprezível ( fio de ligação), não haverá variação do potencial. O valor da diferença de potencial entre dois pontos quaisquer, A e B , será obtido somando-se algebricamente ao potencial de  A (V_A) as variações de potencial que ocorrem no percurso de A para  B, tomando-se os aumento com sinal positivo e as diminuições com sinal negativo e igualando-se esta soma ao potencial de B (V_B) . O exemplo seguinte ilustrará este procedimento.

EXEMPLO

            Vamos percorrer o circuito de A para B, incialmente no sentido da corrente. Teremos as seguintes variações do potencial:

            - na bateria ɛ₁, o potencial diminui de ɛ₁ = 6,0 V                                                                                      

            - na resistência interna r₁ ( da bateria) , o potencial diminui de r₁i = 1,0 x 2,0 ou r₁i = 2,0V

            - na resistência R, o potencial  diminui de Ri = 6,0 x 2,0 ou  Ri = 12 V

                        Podemos, portanto , escrever :

                                                                                  V_A – 6,0 – 2,0 – 12 = V_B

Donde obtemos

Alternativamente, poderemos percorrer o circuito de A para B em sentido contrário ao da corrente e, evidentemente, o mesmo resultado para o valor de V_A – V_B será obtido. Teremos:

- na bateria ɛ₂ , o potencial diminui de ɛ₂ = 24V

- na resistência interna r₂,  o potencial aumenta de  r₂ i = 2,0 x2,0 ou r₂i = 4,0V,

            Logo V_A – 24 + 4,0 = V_B       ou            V_A  - V_B = 20V

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

OUTROS TIPOS DE PILHAS OU BATERIAS

OUTROS TIPOS DE PILHAS OU BATERIAS

            Atualmente há um grande interesse em pesquisas para a obtenção de novos tipos de pilhas ou baterias, em virtude do emprego, cada vez maior destes dispositivos em um número muito grande de aparelhos cujo funcionamento é baseado na energia elétrica. Em circuitos diversos, de relógios rádios, calculadoras, brinquedos etc., como você  saber , as pilhas ou baterias são usadas com enorme frequência . Nos circuitos eletrônicos, geralmente miniaturizados, são necessários pilhas também de pequenas dimensões e em outros usos específicos ( automóvel elétrico , aparelhos portáteis de comunicação etc.) são exigidos tipos específicos de bateiras, capazes de fornecer correntes de maior intensidade e duração . Assim, grandes esforços vêm sendo desenvolvidos pela ciência e pela tecnologia modernas para atender essa grande demanda.

            De maneira geral, as baterias são classificadas em duas categorias: as baterias primarias,  que após seu uso por um certo tempo se descarregam e são descartadas, e as  baterias secundarias,  que podem ser carregadas  algumas vezes, o que as tornas mais econômicas. Ambas fornecem uma energia de preço muito elevado do que  se pode obter nas tomadas de nossas casas, produzida nas grandes usinas e distribuída comercialmente. A energia elétrica obtida por meio de uma pulha primária comum pode custar até cerca de 10 dólares por KWh , enquanto esta mesma quantidade de energia pode ser obtida de uma usina hidrelétrica por apenas 1 centavos de dólar. Apesar disto, a praticidade que as pilhas e baterias propiciam conduz em nosso cotidiano.

            Os tipos de baterias mais usadas universalmente: as pilhas secas e as baterias de automóveis, certamente aquelas que são produzidas industrialmente em maior escala em todo o mundo. Muito outros tipos vêm, entretanto, sendo pesquisados, apresentando características próprias que as tornam adequadas a determinados objetivos. Analisarmos a seguir destes tipos.

            Pilhas alcalinas:  Nestas pilhas , ao contrário do que ocorre com as pilhas secas de zinco-carbono e com as baterias de chumbo, o eletrólito não é ácido, sendo constituído por um por um hidróxido ( álcali) , que apresenta a vantagem de ser menos corrosivo. São encontradas tanto em versão seca, como com eletrólito aquoso, O eletrólito alcalino apresenta geralmente menor resistência elétrica, possibilitando, então, o fornecimento de corrente de maior intensidade  por essas pilhas. Um modelo muito difundido, conhecido como bateria de níquel-cádmio, utiliza eletrodos destes materiais, envolvido em solução de hidróxido de potássio, Sua vantagem é ser bem mais leve e apresentar maior duração do que as baterias de chumbo.  Outro tipo, tendo como eletrodo a prata e o zinco e, ainda, o hidróxido de potássio como eletrólito, é bastante usado por possuir uma levada ralação entre a energia que ela pode fornecer e o seu peso, ou quanto a iluminação que ela deve propiciar é mais importante do que o custo de energia. As pilhas alcalinas secas de mercúrio, apesar de apresenta tem preço elevado em comparação com outros tipos de pilhas secas, são muito empregadas, pois mesmo em versões em forma de pequenos discos ( ou botões) são capazes de sustenta correntes elevadas e de grande duração, relativamente ao se tamanho e peso. São então usadas em aparelhos que requerem estas características, tais como  flasbes  e aparelhos corretivos de audição.  Recomenda-se não abrir este tipo de pilha, pois o óxido de mercúrio que forma em ser funcionamento é altamente tóxico.

            Pilhas solares:  A luz solar que chega à Terra também pode  ser usada para obtenção direta de energia elétrica, por meio de dispositivos denominados  pilhas ou baterias solares . Elas são constituídas com materiais semicondutores, como o silício e o germânio, aos quais já nos referimos.  Conforme, introduzindo pequenas impurezas nestes materiais é possível obter dois tipos de semicondutores. Quando a luz solar ( ou de qualquer outra fonte) atinge essa junção, verifica-se que  ocorre uma separação de cargas , de tal modo que a placa se comporta como o pólo positivo da pilha e  a outra placa, como pólo negativo.  Portanto, enquanto houver indecência de luz, este dispositivo é capaz de fornecer uma corrente a um circuito externo. Como esta corrente apresenta geralmente pequena intensidade, a pilha solar é usada para alimentar certos circuitos eletrônicos, cujo funcionamento demanda pequena quantidade de energia , como calculadoras e relógios de pulso. Em outros usos, nos quais há necessidade de correntes mais intensas, são associadas várias células básicas. Desta maneira, elas são largamente empregadas em satélites artificiais, foguetes sem tripulação e até mesmo para acionar motores, na qual vemos baterias  solares sendo usadas para acionar uma bomba d´água em Mali, na África Ocidental.

            Pilhas nucleares : O funcionamento dessas pilhas tem por base a radioatividade de alguns elementos que emitem elétron espontaneamente ( radiação β, como você provavelmente já ouvi falar). Uma pilha nuclear pode funcionar: o cilindro interno constituído por substancia radioativa, emite elétrons, adquirindo, portanto carga positiva; os elétrons emitidos são captados pelo cilindro metálico externo, o qual fica negativo. Temos , então uma pilha elétrica na qual o pólo positivo é o elemento radioativos e o pólo negativo é o cilindro metálico externo. È possível, com esta pilha , obter uma tensão superior a 10.000 V, mas a corrente que ela é capaz de gerar é extremamente pequena ( apenas alguns microampères ). Até o presente momento, a pilha nuclear não possui nenhum uso  prático ou comercial.

            Muitos tipos de pilhas e baterias vêm sendo pesquisados com objetivo de comunicação em áreas de difícil acesso, em aplicações militares, vôos espaciais etc., quando o preço da energia não é fator determinante, em virtude da dificuldade de sua obtenção a partir de outras fontes.

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

VARIAÇÃO DA RESISTENCIA COM A ATEMPERATURA

VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA COM A A TEMPERATURA

            O VALOR DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA DE UM CONDUTOR DEPENDE DE SUA TEMPERATURA

            Como vimos, esta grandeza mede a oposição que os elétrons encontram ao se deslocar na rede cristalina de um sólido.  Os elétrons se deslocando no interior de um sólido e realizando colisão com os íons que constituem a rede cristalina deste sólido.Na secção , analisamos diversos fatores que influenciam o valor da resistência de fio: seu comprimento, a área de sua secção reta e o material de que ele é feito. Vamos analisar, agora , um outro fator que pode provocar grandes variações na resistência elétrica: a temperatura do condutor.

            É um fato experimental, conhecido há bastante tempo , que sendo R₀ a resistência de um condutor a um temperatura t₀, sua resistência R, a uma temperatura qualquer t, é dada, com boa aproximação, por

                                                                                              R = R₀ ( 1 + α∆t)

Onde  ∆t = t - t₀ e α é um coeficiente cujo valor depende do material de que é feito condutor.

            A RESISTÊNCIA ELÉTRICA PODE AUMENTAR OU DIMINUIR QUANDO A TEMPERATURA AUMENTA

            Medindo os valores de α para um grande número de substancias, os cientistas verificaram que, para todos os metais , tem-se sempre α >0.

Este resultado nos mostra que a resistência elétrica de todos os metais aumenta quando sua temperatura é aumentada. Assim, o filamento de tungstênio de uma lâmpada elétrica comum, que tem uma resistência de aproximadamente 20Ω quando a lâmpada está apagada, apresentará uma resistência de cerca de 250Ω quando ele estiver acesa ( temperatura de aproximadamente 2 500 º C).

            Outras substancia, com o silício, o germânio, o carbono etc., Apresentam valores negativos para o coeficiente α .Portanto, a resistência elétrica destas substancias diminui quando elas são aquecidas, Nas lâmpadas de filamento de efeito inverso daquele que ocorre nas lâmpadas de tungstênio: quando acesas, as lâmpadas de carbono apresentavam uma resistência elétrica menor do que quando apagadas.

            É interessante observar, ainda, que os cientistas conseguiram obter certas ligas metálicas, como o constatam, para as quais o valor de α é praticamente nulo. Isto significa que a resistência  elétrica destas ligas permanece aproximadamente constante, mesmo  quando suas temperaturas sofrem variações, Por este motivo, tais ligas são usadas na fabricações de resistência de alta precisão ( padrões de resistências).

            O fato de a resistência elétrica variar com a temperatura encontra algumas aplicações interessantes como, por exemplo, na construção dos termômetros, obtém-se o valor da temperatura de um ambiente ( um forno, por exemplo), medindo-se a resistência elétrica de um fio de platina ali colocado. Isto é possível porque o valor da resistência do fio de platina é conhecido e , determinado para cada temperatura.

            POR QUE A RESISTÊNCIA ELÉTRICA DOS METAIS AUMENTA QUANDO A TEMPERATURA AUMENTA

            Analisando a estrutura interna dos sólidos é possível entender por que a resistência elétrica destes corpos varia com a temperatura.

            Sob o ponto de vista da Física Moderna, a resistência elétrica de um sólido depende basicamente de dois fatores: do número de elétrons livres existentes  em suas estrutura e da mobilidade destes elétrons ao se deslacrarem através de sua rede cristalina. Evidentemente, quando maior for o número de elétrons livres ( por unidade de volume) existentes no sólido, menor será sua resistência elétrica. Do mesmo modo, esta resistência será tanto menor será quando mais facilmente os elétrons se deslocarem através da rede cristalina, isto é , quando maior for a mobilidade dos elétrons.

            Os cientistas, utilizando recursos experimentais de grande precisão, conseguiram medir o número de elétrons livres em diversas substancias, Os resultados destas medidas mostram que, nos metais, o número de elétrons livres praticamente não varia quando fazemos variar a temperatura destas substâncias. Entretanto, como sabemos, o aumento de temperatura provoca um aumento na agitação térmica dos elétrons livres e dos íons da rede cristalina. Em virtude disto, ao de deslocaram, os elétrons sofrerão um  maior número de colisões contra os íons da rede , isto é, terão sua mobilidade reduzida. Então , nos metais, não havendo u aumento do número de elétrons livres e ocorrendo uma redução na mobilidade destes elétrons , uma elevação de temperatura acarretará , necessariamente , um aumento da resistência elétrica.

POR  QUE A RESISTÊNCIA ELÉTRICA DOS SEMICONDUTORES DIMINUI QUANDO A TEMPERATURA AUMENTA

            Outras substâncias, ao contrario dos metais, apresentam alterações apreciáveis no número de seus elétrons livres quando sua temperatura é aumentada. Estes materiais apresentam um número relativamente pequeno de elétrons livres quando se encontram em baixas temperaturas. Portanto, nestas condições, eles de comportam praticamente como se fossem materiais isolantes. Quando sua temperatura cresce, o aumento da agitação térmica faz com que um grande número de elétrons se separe de seus átomos, tornando-se elétrons livres. Então, embora a mobilidade dos elétrons se torne menor, um aumento na temperatura provocará uma diminuição na resistência elétrica destes materiais, visto que o número de seus elétrons livres aumento consideravelmente.

            Para ilustrar esta afirmação examinemos o caso do silício puro, Á temperatura ambiente, verifica-se que existem cerca de 10 ¹¹ elétrons livres por cm³  neste material e que sua resistência elétrica é bastante elevada. Se a temperatura do silício for aumentada para 700 º C, o número de elétrons livres que ele apresenta aumenta 10 milhões de vezes , passando a ser 10 ¹⁸  por cm ³. Como consequência disto, sua resistência elétrica diminui , tornando-se cerca de 1 milhão de vezes menor. Os materiais que apresenta, comportamento semelhante são denominados semicondutores ( silício, germânio , selênio, Cu₂, O, PbS, etc.).

            O QUE É A SUPERCONDUTIVIDADE

            Uma propriedade importante, relacionada com a variação da resistência elétrica com a temperatura, foi descoberta em 1911 pelo físico holandês Kamrlingh Onnes, que recebeu o Premeio Nobel de Física em 1913 por seus trabalhos no campo das baixas  temperaturas. Estes cientistas verificou que algumas substâncias, a temperaturas muito baixas ( próximas de zero absoluto), apresentam resistência elétrica praticamente nula. Em outras palavras, os elétrons livres da substancia, nesta situação podem se deslocar livremente através de sua rede cristalina . Este fenômeno recebeu o nome de supercondutores e , quando o material se encontra neste estado , ele é denominado supercondutor. Se uma corrente elétrica for estabelecida em uma espira feita de material supercondutor, esta corrente permanecerá indefinidamente, mesmo que a fonte de tensão que a estabeleceu seja retirada do circuito.

            KEMERLINGH ONNES ( 1853 – 1926)

                        Físico holandês que se tornou conhecido pelos seus trabalhos no campo das baixas temperaturas e pela produção de hélio líquido. Influenciado pelos trabalhos de Van de Waals, estudou as propriedades termodinâmicas dos gases e líquidos sob diversas condições de pressão e temperatura, Onnes descobriu a supercondutividade dos matérias, isto é, a redução da resistência elétrica de algumas substancias, praticamente a zero, quando resfriadas a temperaturas próximas de zero absoluto. Em 1913 ele recebeu o Prêmio Nobel de Física por estes trabalhos.

            A temperatura na qual uma substancia de torna supercondutora é denominada temperatura de transição. Esta temperatura varia de um material para outro, Para o Mercúrio, por exemplo, ela é igual a 4 K, enquanto , para o chumbo, ela vale cerca de 7 K.

            OS SUPERCONDUTORES E A TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

            Os materiais supercondutores poderão desempenhar, no futuro, um papel importantíssimo na engenharia elétrica. È um fato conhecido que, nas transmissões de energia elétrica, desde a usina geradora até o centro onde ela é utilizada ( cidades , industrias etc.) , há uma perda considerável por efeito Joule em virtude da resistência das linhas transmissoras. Os engenheiros eletricistas procuram tornas esta perda a menor possível, mas encontram limitações, principalmente tendo em conta a grande extensão destas  linhas. Se o material das linhas de transmissão fosse supercondutor, não haveria dissipação por efeito Joule ( pois R= 0) e, assim , a energia gerada na usina elétrica poderia ser totalmente utilizada nos centros consumidores . Entretanto, na atualidade, é praticamente impossível construir uma linha como essa, pois seria necessário manter os cabos transmissores abaixo de sua temperatura de transição, o que é tecnicamente inviável.

            Quando o desenvolvimento tecnológico encontrar uma solução para este problema, a energia que é atualmente dissipada nos cabos transmissores poderá ser totalmente aproveitada; a economia será equivalente á construção de um grande número de novas usinas geradores de energia elétrica.

            SUPERCONDUTIVIDADE A ALTAS TEMPERATURAS

            Durante muitos anos, desde a descoberta de Kamerlingh Onnes em 1911, os cientistas se preocuparam em descobrir novas substancias, que pudessem apresentar supercondutividade a temperatura mais elevadas do que aquelas com as quais se aqueciam obrigados a trabalhar no inicio desses estudos. Apesar desses  esforços, até o início da década de 80, as temperaturas de transição mais  elevadas que conseguiram obter, estavam em torno de 25 K. Assim, para tornar supercondutores os fios dos materiais descobertos, eles deveriam ser mantidos imersos em hélio líquido, cujo ponto de ebulição é de apenas 4 K! Esta era a única maneira de manter os fios naquelas baixas  temperaturas exigidas para a supercondutividade. Por exemplo, na década de 1960,dois recipientes cilíndricos, contendo hélio líquido, nos quais estão mergulhadas duas bobinas de material supercondutor, Os fios dessas bobinas são percorridos por correntes de intensidade muito elevada, sem que haja dissipação de calor, já que sua resistência, nessas condições, é nula ( deve-se observar que, se esses fios estivessem à temperatura ambiente, eles se fundiram se fossem percorridos por correntes tão intensas). Essas bobinas comportam-se então como poderosos eletroímãs, que são capazes de orientar grandes pregos de ferro, colocados sobre a mesa. Em virtude de o processo de obtenção do hélio líquido ser complexo e apresentar custo elevado, experiências como esta só podiam ser realizadas em laboratórios de pesquisas sofisticados.

            Em 1986. Uma nova classe de materiais supercondutores foi descoberta: uma cerâmica, em cuja composição estão presentes óxidos de cobre, misturados com lantânio ou ítrio, e cuja temperatura de transição é de 125 K. Esta descoberta se apresentou como uma grande surpresa para os cientistas, pois as cerâmicas, de maneira geral, não são boas condutoras de eletricidade.

            A grande vantagem desta cerâmica é possuir uma temperatura de transição superior à  temperatura de ebulição do nitrogênio ( 78 K). O nitrogênio, além de ser muito abundante, pode ser liquefeito com relativa facilidade, possibilitando manter a cerâmica no estado supercondutor com poucos gastos e com equipamentos acessíveis a laboratórios mais modestos, Por isso, mesmo países em desenvolvimento, como o Brasil, podem dar prosseguimento a pesquisas nesta área, O grande objetivo destas pesquisas, ainda remoto, é obter materiais que apresentem supercondutividade a temperaturas próximas da temperatura ambiente, que possam ser alcançadas pelos processos comum de refrigeração.

            Como vimos, se esse objetivo for alcançado, as perdas nas transmissões de energia elétrica serão anuladas, o que traria um grade aumento ( em torno de 30%) de energia elétrica disponível em todo o mundo. Além dessa vantagem, outras aplicações podem ser pensadas para os supercondutores, Uma delas é baseada na propriedade desses materiais de repelirem o  polo de um ímã que deles é aproximado. Quando um ímã suspenso em equilíbrio ( no ar) , a uma certa altura acima de uma placa de cerâmica supercondutora .  Esse efeito poderá ser usado, no futuro, para construção de trens de alta velocidade, nos quais os vagões, providos de fortes ímãs, são mantidos em levitação sobre trilhos supercondutores. No Japão já existe protótipo desse trem, que chega a alcançar velocidade de aproximadamente 530 km/h.

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

RISCOS E CUIDADO NAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS

            RISCOS  E CUIDADO NAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS

           

            Os fios de cobre utilizados nas instalações elétricas residenciais e comerciais ( fios de ligações)  são encontrados mas lojas especializadas com diferentes secções retas. Cada um deles costuma ser identificado por um número, para os fios mais usados naquelas instalações. Essa numeração não é rígida, pois cada país adota seu próprio código, No Brasil, atualmente, os fios são identificados pelos valores de suas secções retas. Entretanto, os técnicos e engenheiros ainda se aproximadamente àqueles de um código muito difundido nos Estados Unidos. Observe que o número de um fio é tanto menor quanto maior for sua secção reta ( por exemplo, o fio de 14 é mais fino do que o fio 12) .

            Quando um engenheiro projeta a instalação elétrica de uma residência, conhecendo a corrente que cai passar em cada aparelho e, consequentemente, a corrente total da ligação principal, ele deverá escolher adequadamente a secção ( ou número) de cada fio que irá usar. Se o fio escolhido para a linha principal for muito fino ( resistência grande), quando a corrente que por ele passa for aumentando, em virtude de vários aparelhos serem ligados à rede , queda de tensão neste fio poderá não ser desprezível. Isto costuma acarretar um mau funcionamento daqueles aparelhos, pois eles ficarão submetidos a uma voltagem inferior àquela para a qual foram projetados. Você já deve ter observado este efeito , em uma residência , quando o brilho das lâmpadas diminui, ao ser ligado um chuveiro elétrico, por exemplo. Quando a escolha é bem feita , sendo usado um fio de ligação com secção maior( menor resistência ), a queda de tensão nele torna-se desprezível , e não há alteração sensível em um aparelho quando outros são ligados à rede.  Evidentemente, esses cuidados devem ser tomados em qualquer instalação elétrica, inclusive no fios que ligam uma residência à qualquer instalação elétrica  inclusive nos fios que ligam uma residência à rede elétrica da rua.

            A Tabela abaixo apresenta também o valor máximo da corrente que cada fio pode  transportar, sem aquecimento excessivo que possa comprometer seu isolamento, isto é, sem danificar a capa de plástico que o envolve. A danificação deste isolamento pode trazer sérias consequências ( curto-circuitos, com possibilidades de provocar incêndios).

                                                                       

Corrente máxima para fios de diferentes secções retas
n. do fio	Secção ( mm2)	i  max (A)
14	1,5	15
12	2,5	20
10	4,0	30
8	6,0	40

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