Workshop professores microeletricidade v3

Mãos na “microeletricidade” para formadores

Workshops

8 e 17/março/IPT

Rosa Brígida Fernandes

Breve história dos fenómenos elétricos –Antes da compreensão ….

Oxiluciferina* ��energia

(luz)

Arístoteles e seus asseclas (2000

A.C.) - faíscas espontaneas no

ar????”

O peixe elétrico foi usado para terapia das dores de cabeça e

para a gota pelo físico Scribonius Largus do primeiro século do

império romano de Claudius e pelos índios nativos da América

do Sul.

Registo + antigo �� 2750 A.C. nos murais dos túmulos

Egípcios

O ar muda de isolador para condutor para campos elétricos

superiores a 3 milhões de volts por metro.

Construção e explicação do globo de plasma, respetivamente,

Francis Hauksbee (1705) e Nikola Tesla (1894)

Gerador eletrostático - O

trabalho mecânico é convertido

em energia eletrostática (por

indução eletrostática )

O âmbar, do latim –

electrum, é a resina

fossilizada da árvore.

Atrai pequenas massas

e dá pequenos choques

quando friccionada. O

selo celebra a

descoberta da

eletricidade estática

(Grécia antiga, Tales de

Mileto, ano 585 A.C.) .

Na Europa, o iluminismo defende o uso da razão para questionar o

mundo.

Rosa Brígida microeletricidade para formadores 2017 2

O início da compreensão das propriedades elétricas dos materiais

Steven Gray, 1732, verificou que a cargaeletrostática podia ser transferida entre corpos.Mas havia uns corpos que quando usados comoelementos de separação impediam atransferência (isoladores) e outros que apermitiam (condutores) – teoria dos “doisfluidos“. Exemplos de:• condutores: corpo humano, objetos de metal,

…• isoladores: seda, madeira, borracha, ar, vidro,

resina, …

No iluminismo, os palestrantes faziam

demonstrações de rua e em festas, friccionando o

âmbar para atrair penas, usando o gerador

eletrostático de Fancis Hauksbee para aplicação de

choques nos espectadores, produzindo faíscas para

incendiarem bebidas alcoólicas, …Palestra com beatificação elétrica

(halo em torno de coroa electrificada).

Leyden Jar (1745-

6), uma das

primeiras formas

de

armazenamento

de energia elétrica

por horas, mesmo

dias.

A “pilha

elétrica” ou

mais

corretamente um

condensador.Never try it!

Henry

Cavendish

, 1879:

2 tipos de

eletricida

de:

biológica

e dos

materiais,

potencial

e

corrente?

1752 –

Realização da

experiência de

Benjamin

Franklim, catar e

armazenar a

trovoada numa

garrafa de

Leyden …

Crédito e débito

de carga, dois

tipos de

eletrização que

podiam explicar

a corrente …


A bioeletricidade e a eletricidade nos materiais, Galvani e Volta

A passagem de corrente elétrica através de um decapitado fê-

lo contorcer-se! Experiência realizada perante uma larga

audiência pelo sobrinho de Galvanni.Construção de uma pilha de cobre circular e um disco embebido

em ácido diluído e por cima dum disco de zinco e voltou a provar!

Luigi Galvani, médico Italiano, 1786, usou o geradoreletrostático de Hauksbee para fazer passar uma correnteelétrica através de nervos de pernas de rã, fazendo-as contrair.Galvani descobriu que músculos e células nervosas eram comojarras de Leyden, produzindo e armazenando eletricidade,através de reações químicas, não necessitando de usar ogerador eletrostático para gerar a carga.

Alessandro Volta, Físico Italiano afirmava que aeletricidade animal não existia. Provou a eletricidade deduas moedas de diferentes materiais na boca com umacolher de prata por cima destes.


Frankestein, Mary Shelley (1818)

No romance de ficção científica, o cientista ressuscita um monstro usando a eletricidade...Rosa Brígida microeletricidade para formadores 2017 5

Características gerais de um circuito de eletricidade básica incluindo 1 ou + componentes elétricas

Esquema geral Exemplo de um circuito elétrico

com uma componente (o

interruptor fechado é material

condutor)Componente elétrica 1

(consome energia), de potência de consumo, P1, conhecida ou facilmente

calculável

“Fonte(s) de

energia ou de

alimentação”, de potência máxima de

saída conhecida ou facilmente

calculável

Componente

elétrica 2, de

potência de

consumo P2

Componente

elétrica 3

P3

…

Fio condutor de ligação entre componentes e à fonte de alimentação


Rapidez de libertação ou consumo de energia elétrica, a potência elétrica

Todas as “fontes de energia” libertam energia elétrica para ocircuito (proveniente da energia química ou outra forma deenergia armazenada) e todos os componentes do circuitoelétrico TRANSFEREM ESSA ENERGIA PARA OUTROS CORPOSOU ESPAÇOS (consomem energia). A libertação e consumo deenergia elétrica é um processo contínuo no tempo, isto é, afonte de alimentação liberta continuamente energia e oscomponentes do circuito elétrico consomem continuamenteenergia. À rapidez com que a energia é libertada e ouconsumida designa-se por potência elétrica e a sua unidadeS.I é o watt (ou joule por segundo).

Potência elétrica entrada/saída, unidade S.I é o watt (símboloW).


Exemplos de algumas potências


Televisor LCD Grundig 36 W Lâmpada LED 5 W Aspirador Nilfisk Coupé Neo 1600 W

O que significa uma pilha de potência máxima 0,64 watt?

A pilha, de 0,64 W, liberta0,64 joule de energia para

o circuito, no máximo, por

cada segundo. Istosignifica que se quisermosligar a essa pilha umacomponente elétrica depotência mínima deentrada 1 watt esta não

vai funcionar! Mas se poroutro lado quisermos ligaruma lâmpada de 0,5 W deentrada esta vai acender.


Lâmpada acesa Pconsumo= 0,5 W

0,64 Wpilha

321321pilha à ligada componentepilha máx.

W0,5 W0,64

PP

>

Interruptor fechado para a

lâmpada acender!

Que componentes elétricas posso usar atendendo a que pretendo usar uma determinada fonte de energia?

A potência máxima da fonte de energia (pilha) teráde ser superior à soma da(s) potência(s) mínima(s)que a(s) componente(s) elétrica(s) necessita(m)para funcionar(em):

Mas esta condição não é ainda garantia que ascomponentes irião funcionar. Falta o resto dahistória …


....2 componente1 componente ++> PPPpilha

Outras quantidades de grande importância na eletricidade básica, além da Potência

A diferença de potencial (ou ddp ou ∆V ou U)entre dois pontos de circuito elétrico e aintensidade de corrente (I) que percorre umdeterminado ramo do circuito. Estasquantidades podem ser medidas usando ummultímetro:


∆

A)( emicroampèrou (mA) miliampère

ou (A) ampère em medida geralmente é

(mV)milivolt ou (V) volt em medida geralmente é

µ

I

V

Características do multímetro digital (da Farnell) que utilizamos :

• Marca: TEMMA 72-7770

• Pequenas dimensões (cabe na palma da mão)

• Função HOLD e Iluminação de mostrador

• Mede intensidade de corrente contínua até 10 A

• Mede potenciais em corrente contínua e alternada até 250 V

• Mede resistências

• Verifica continuidade, Díodo

• Baixo preço 10-20 € (no ano 2016)


Multímetro – aparelho que permite a medição de I, ∆V, …


O vermelho fica ligado ao terminal

de medida de potenciais,

resistências e intensidades de corrente até 200

mA, em geral.

O fio condutor ,de isolamento preto, fica

sempre ligado ao terminal

COM.

O fio condutor de isolamento vermelho fica

ligado ao terminal 10 A dez ampére) para medir possíveis

correntes altas, superiores a

200 mA

Como estimar P da pilha a partir de duas quantidades que se podem medir experimentalmente: ∆ V e I?

{ {

44444 844444 76 medidos valoresosr multiplica

multímetro usandomedir multímetro usandomedir

IVP ×∆=


E2: Qual a intensidade de corrente fornecida pela pilha em circuito fechado?


Rode o ponteiro do multímetro

de modo a escolher a escala

dos 10 A.

O “fio vermelho” ligado aos 10 ampére, 10 Amax

Mude para o terminal de

miliampere (mA), do lado direito,

se o mostrador indicar 0,00 ou µµµµA…

Fios:preto –> -

vermelho� +

Não tem importância se

trocar estes terminais, apenas irá

aparecer um sinal menos no

ecrã

O “fio preto”, ligado ao COM.

E1: Qual a diferença de potencial (∆V) aos terminais da pilha fornecida?


Rode o ponteiro do multímetro

de modo a escolher a escala

dos 20 V.

O “fio preto”,

ligado ao COM.

O “fio vermelho”

ligado ao potencial, V (de

volt)

Fios:preto –> -

vermelho� +

Não tem importância se

trocar estes terminais, apenas irá

aparecer um sinal menos no

ecrã

E3: Qual a potência máxima fornecida pela pilha?


{ {

mW 640 W0,64

A 0,16V 4,01

:figura da exemplo No

produto ocalcular

medirmedir

==

×=

×∆=

P

IVP48476

∆∆∆∆V = 4,01 V

(volt)

I = 0,16 A = 160 mA (miliampere) na escala do miliampere

Ppilha= 640 miliwatt!

E4: Qual a potência máxima que o tale do brócolo (ou outra fruta) consegue fornecer ?


Ptale brócolo = 148 microwatt!

{ {

W 481

A 921V 0,77

:figura da exemplo No

produto ocalcular

medirmedir

µ

µ

≈

×=

×∆=

P

IVP48476

∆∆∆∆V = 4,01 V (volt)

I = 192 µµµµA

(microampere)

Os frutos/vegetais, com 2 metais diferentes incrustados, são “pilhas” de microwatt!


Calcule a potência de consumo dos LEDS e das lâmpadas incandescentes da figura


2,5 V; 0,2 A{ {

444 8444 76 produto ocalcular

(A) ampere em(V) volt em

IVP ×∆=

L

E

D

COR ∆∆∆∆Vmin emvolt

Imin emmicroamp

ere

Pmin em microwatt

1 branco 2,50 V 42 µA 105 µW

2 verde 2,40 V 31 µA 74 µW

3 azul 2,50 V 163 µA 408 µW

4 azul 2,40 V 113 µA 271 µW

5 amarelo 1,70 V 1,7 mA 2,9 mW

6 vermelho 1,80 V 5 mA 9 mW

7 vermelho 1,40 V 30 µA 42 µW



86

31

7

2

4

5

9

Algumas das vantagens da microeletricidade?

• uso de pilhas usadas para funcionarem como “micropilhas”;

• uso de frutas/vegetais de baixo custo para eletrólito de pilhabiológica como, por exemplo, fruta imprópria para consumo ou talesde vegetais ou bolotas das árvores ou …; uso de parafusos e outros

metais de materiais reciclados para servirem de elétrodos na pilhabiológica;

• uso de constituintes de materiais reciclados para servirem decomponentes nos circuitos elétricos, como por exemplo, LEDs,lâmpadas de natal, buzinas, motores, partes de brinquedos, relógiosdigitais avariados, calculadoras avariadas, etc;

• uso de fios condutores de materiais reciclados para eléctrodopositivo na pilha biológica e para a ligação das várias componentes à“micropilha” e para as várias associações entre componentes e“micropilhas”.


Algumas componentes provindas da reciclagem e respetivas potências mínimas

Material

reciclado

Componentes elétricas Outros materiais

Fios elétricos?

LEDs, buzinas, altifalantes, placas

LCD, ecrã, …

Caixa de associação pilhas, condensadores, bobines, resistências

Metais: parafusos, fio Cu, carvão

Rato de computador

sim

1 LED vermelho (em geral)

condensadores, bobines, resistências, …

Parafusos, fio cobre,

Teclado de computador

3 LEDs verdes (em geral)

Rádiodespertador

altifalante,Ecrã LCD ou LED

Headfonesaltifalantes fio cobre

Brinquedo elétrico

não, em geral

Em geral: motores, ecrã LCD, …

Em geral: Caixa de associação pilhas, …

Pilhas de carvão3R12 (zinco & Carbono)

não não não Zinco e carvão



Algumas componentes provindas da reciclagem e respetivas potências mínimas

Brinquedo de criança: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=2,1 V; Imin= 0,4 mA Relógio de carro: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=1,2 V; Imin= 1 µ µ µ µA

Buzina: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=0,5 V; Imin= 99 µµµµA

Calculadora: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=1,5V; Imin= 200 µµµµA

Calculadora: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=2,8 V;

Imin= 20 µµµµA

Visor de despertador: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=2,5 V; Imin= 315 µµµµA

Contador máquina loiça: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=1,5 V; Imin=

120 µµµµA

LED rato computador: ∆ ∆ ∆ ∆Vmin=1,5 V; Imin= 20 µµµµA

Montagem experimental e medida dos circuitos com as seguintes componentes:• E5: Interruptor ligado

a amperímetro em série;

• E6: Interruptor comum dos materiais dacaixinha (prego deferro, cilindro decarvão, anel de cobre,parafuso de bronze,parafuso de ligação napilha ) ligado aamperímetro em série.


Montagem experimental e medida dos circuitos com as seguintes componentes:

• E6 (cont): Interruptor com um dos materiais da caixinha (corda, berlinde, cilindro de madeira, borracha, pedra, parafuso de ???, cerâmica) ligado a amperímetro e pilha em série.


Montagem experimental e medida dos circuitos com as seguintes componentes:

• E7: Lâmpada;

• E8: Fio condutor térmico enroladonum termómetro de vidro,contendo tolueno com corantevermelho, em suporte metálico(https://www.fishersci.com/shop/products/metal-back-thermometers-3/p-2371607);

• E9: Prego de ferro com fiocondutor enrolado.


E9

E8

E7

Que componentes elétricas funcionam com a microeletricidade?


Montagem de um circuito incluindo uma pilha biológica. Experimentar ainclusão de um dos componentes elétricos que irá ser fornecido pelosformadores e o uso de elétrodos de pilhas recicladas 3R12 (4,5 V) .

Eletroíman biológico com elétrodos de pilhas 3R12 !

Relógio de carro de 1 µµµµW

Que componentes elétricas funcionam com séries de microeletricidade?


E10: Montagem de um circuito incluindo associação de pilhasbiológicas em série (moeda num fruto ligado a parafuso no outrofruto e assim sucessivamente) . Experimentar a inclusão de umdos componentes elétricos que irá ser fornecido pelosformadores.

Relógio de carro de 1 µµµµW LED vermelho de 42 µµµµW

Que componentes elétricas funcionam com paralelos de microeletricidade?


E11: Montagem de um circuito incluindo a associação de pilhas biológicas em

paralelo, moeda (parafuso) num fruto ligado a moeda (parafuso) no outro fruto eassim sucessivamente. Experimentar a inclusão de um dos componentes elétricosque irá ser fornecido pelos formadores.

Como reciclar um rato?


• Com uma chave de parafusosdesaparafusar o(s) parafuso(s) naparte inferior do rato (este(s)parafuso(s) poderão servir deelétrodos negativos numa futurapilha biológica se não estiveremenvernizados);

• Separar, com um pouco depressão, a parte superior daparte inferior do rato

• O rato contém, além do chasside plástico:

– uma roda em borrachacom uma haste central deplástico que poderá servircomo um peão,

– Uma placa eletrónicacontendo um LED vermelhoem bom estado (em geral);

– Um fio elétrico que poderáservir para efetuar ligações…

LED

peão

parafuso

Chassi de

plástico

Fio elétricoChave de parafusos

X-ato

Placa

eletrónica

Rato

avariado

Pilha

comercial

ddp medida em

ca, ∆∆∆∆V (volt)

Intensidade de corrente

medida em cf, I, (ampére)

Potência máxima

fornecida (watt)

22 4,54 V 1,50 A 6,81 W

33 4,35 V 1,50 A 6,53 W

26 4,28 V 1,3 mA 5,56 W

28 4,48 V 1,10 A 4,93 W

4 4,50 V 1 A 4,50 W

31 4,86 V 0,43 A = 430 mA 2,09 W

29 4,46 V 0,210 A = 210 mA 937 mW

20 4,53 V 0,2 A = 200 mA 906 mW

25 4,30 V 0,04 A = 40 mA 172 mW


Resultados obtidos pelos grupos de professores de 8/3 para as pilhas comerciais

Resultados obtidos pelos grupos de professores de 15/3 para as pilhas comerciais

Pilha

comercial

ddp medida em

ca, ∆∆∆∆V (volt)

Intensidade de corrente

medida em cf, I, (ampére)

Potência máxima

fornecida (watt)

23 4,36 V 300 mA 1,31 W

21 4,22 V 193 mA 815 mW

25 4,21 V 29,3 mA 123 mW

5 3,76 V 7,6 mA 28,6 mW

8 3,74 V 3,28 mA 12,3 mW

26 4,27 V 1,1 mA 4,70 mW

24 3,91 V 38 µA 149 µW

20 4,39 V 29 µA 127 µW


Pilha

biológica

Moeda 0,02

€ e mola da

da roupa à

distância

ddp medida

em ca, ∆∆∆∆V

(volt)

Intensidade de

corrente medida em

cf, I, (ampére)

Potência

máxima

fornecida

(watt)

pera ? 1,03 V 700 µA 721 µW

limão 1,5 cm 0,85 V 750 µA 638 µW

tangerina 2,0 cm 0,92 V 450 µA 414 µW


clementina 2,0 cm 1,1 V 300 µA 330 µW

Tale brócolo ? 0,85 V 375 µA 319 µW

Tale brócolo 1,0 cm 0,70 V 430 µA 301 µW

tangerina ? 0,99 V 268 µA 265 µW


Resultados obtidos pelos grupos de professores de 8/3 para as pilhas biológicas

Resultados obtidos pelos grupos de professores de 15/3 para as pilhas biológicas

Pilha

biológica

Moeda 0,02

€ e mola da

da roupa à

distância

ddp medida

em ca, ∆∆∆∆V

(volt)

Intensidade de

corrente medida em

cf, I, (ampére)

Potência

máxima

fornecida

(watt)

kiwi 3 cm 0,61 V 691 µA 422 µW

pera 2 cm 0,96 V 300 µA 288 µW

tomate 2,5 cm 0,85 V 335 µA 285 µW


tangerina 2 cm 0,81 V 194 µA 157 µW


maça 1,5 cm (+-) 0,96 V 113 µA 108 µw

maça 3 cm 1,0 V 76 µA 76 µW


Bibliografia

• https://www.youtube.com/watch?v=Gtp51eZkwoI (acedido a 7/março/2017)

• Electric Fish and the Discovery of Animal Electricity: The mystery of the electric fish motivated research into electricity and was instrumental in the emergence of electrophysiology Chau H. Wu , American Scientist , Vol. 72, No. 6 (November-December 1984), pp. 598-607 , https://www.jstor.org/stable/27852970?seq=1#page_scan_tab_contents (acedidoa 7/março/2017)

• http://dh.dickinson.edu/digitalmuseum/exhibit-artifact/making-the-invisible-visible/showing-scientific-lecturing-19th-century (acedido a 7/março/2017)

• http://www.circuitstoday.com/capacitors-invention-history-and-the-story-of-leyden-jar (acedido a 7/março/2017)


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