Eletromagnetismo 4 . O GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física para o nível Médio

Eletromagnetismo 4 . O GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física para o...

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ELETROMAGNETISMO para ler, fazer e pensar

20. Usinas geradoras de eletricidade 21. Dínamo de bicicleta 2.Transformadores no circuito 23. A corrente elØtrica vista por dentro 24. Fumaça, cheiros e campos

25. Exercícios 26. Pilhas e baterias 27. Força e campo elØtrico 28. A interaçªo elØtrica e seu papel 29. Exercícios

Leituras de Física Ø uma publicaçªo do

GREF - Grupo de Reelaboraçªo do Ensino de Física Instituto de Física da USP

Anna Cecília Copelli Carlos Toscano Dorival Rodrigues Teixeira Isilda Sampaio Silva Jairo Alves Pereira Joªo Martins Luís Carlos de Menezes (coordenador) Luís Paulo de Carvalho Piassi Suely Baldin Pelaes Wilton da Silva Dias Yassuko Hosoume (coordenadora)

ILUSTRA˙ÕES: Fernando Chuí de Menezes

MÆrio Kano

GREF - Instituto de Física da USP rua do Matªo, travessa R, 187 Edifício Principal, Ala 2, sala 305 05508-900 Sªo Paulo - SP fone: (011) 818-7011fax:(011) 818-7057 financiamento e apoio: ConvŒnio USP/MEC-FNDE

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A reproduçªo deste material Ø permitida, desde que observadas as seguintes condiçıes: 1. Esta pÆgina deve estar presente em todas as cópias impressas ou eletrônicas. 2. Nenhuma alteraçªo, exclusªo ou acrØscimo de qualquer espØcie podem ser efetuados no material. 3. As cópias impressas ou eletrônicas nªo podem ser utilizadas com fins comerciais de qualquer espØcie.

junho de 1998

20 Usinas geradoras

de eletricidade

Vamos conhecer os processos pelos quais diferentes formas de energia podem ser transformadas em energia elØtrica

Acende-apaga; liga-desliga;

Quantas fontes de energia elØtrica vocŒ jÆ utilizou hoje?

20A produçªo de energia elØtrica

Todos os aparelhos capazes de transformar alguma energia em energia elétrica são classificados como fontes de energia elØtri ca.

As turbinas podem tambØm ser movimentadas por vapor d’Ægua a alta pressªo. Nesse caso, as usinas sªo termoelØtricas ou nucleares.

Nas termoelØtricas, o vapor d’Ægua, Ø obtido atravØs do aquecimento de Ægua em caldeiras, pela queima de carvªo, óleo, derivados de petróleo. JÆ nas usinas nucleares, o vapor dÆgua Ø obtido atravØs da fissªo do urânio.

AlØm dos geradores de eletricidade das usinas, temos tambØm os alternadores e os dinÆmos de automóveis que tŒm o mesmo princípio de funcionamento. A diferença se dÆ na maneira como Ø obtida a rotaçªo do eixo do gerador: atravØs da explosªo do combustível no cilindro do motor.

A maior parte da energia elØtrica utilizada no Brasil provØm de usinas hidroelØtricas. Nessas usinas a Ægua Ø represada por meio de barragens, que tŒm a finalidade de proporcionar um desnível de Ægua capaz de movimentar enormes turbinas. As turbinas sªo formadas por conjuntos de pÆs ligadas ao eixo do gerador de eletricidade, que Ø posto a girar com a passagem da Ægua.

Outra forma de utilizaçªo de energia elØtrica Ø atravØs do processo de separaçªo de cargas. Um exemplo bastante típico desses geradores Ø a pilha e tambØm nas baterias comumente utilizadas em rÆdios, brinquedos, lanternas, relógios, etc.

Nesses sistemas uma reaçªo química faz com que cargas elØtricas sejam concentradas em certas regiıes chamadas pólos. Assim obtØm-se os pólos positivos (onde se concentram íons com falta de elØtrons) e os pólos negativos (onde os íons tem elØtrons em excesso). AtravØs desses pólos, tem-se a tensªo elØtrica que permite o estabelecimento da corrente elØtrica quando um circuito ligado a eles Ø fechado.

AlØm da reaçªo química, existem outras formas de se promover a separaçªo de cargas. Nas portas automÆticas e sistemas de segurança, a separaçªo de cargas Ø produzida pela incidŒncia de luz sobre material fotossensível. O resultado Ø a corrente elØtrica num circuito.

Nas mÆquinas fotogrÆficas totalmente automÆticas, uma cØlula fotossensível regula a abertura do diafragma e o tempo de exposiçªo ao filme. Em outras mÆquinas nªo automÆticas, o medidor de luminosidade Ø um aparelho chamado fotômetro. A luz incidente na cØlula que tem duas camadas de material condutor separados por uma película de selŒnio ou cÆdmio cria uma tensªo proporcional à intensidade de luz e a corrente obtida muda a posiçªo do ponteiro do galvanômetro.

AtravØs da diferença de temperatura tambØm se pode provocar a separaçªo de cargas em alguns materiais. Esse efeito Ø utilizado para medir a temperatura nos automóveis quando as extremidades de dois metais diferentes entram em contato e sªo submetidas a distintas temperaturas: um ligado ao motor outro a carcaça.

É possível, tambØm, produzir separaçªo de cargas por meio do atrito entre certas espØcies de materiais, Esse processo de separaçªo de cargas pode ser observado em muitas situaçıes do cotidiano.

Os raios que aparecem durante as tempestades sªo grandes movimentos de cargas elØtricas da Terra para as nuvens ou das nuvens para a Terra. Essas grandes quantidades de cargas nas nuvens sªo produzidas por atrito das gotículas de Ægua com o ar.

JÆ no acendedor de fogªo sem fio a separaçªo de cargas ocorre ao pressionarmos um cristal. Este Ø denominado efeito piezoelØtrico que tambØm estÆ presente no funcionamento de alguns tipos de agulhas de toca-discos e de microfones de cristal.

Enquanto a correia Ø movimentada pelo motor elØtrico um pente metÆlico ligado a uma fonte de alta tensªo transfere cargas elØtricas para ela. Estas sªo transportadas atØ o interior da esfera metÆlica e transferidas para ela atravØs de um contato metÆlico. Assim, as cargas elØtricas vªo sendo acumuladas em sua superfície externa, atingindo milhares de volts.

Quando esvaziamos um saco plÆstico contendo arroz Ø muito comum acontecer de alguns grªos permanecerem grudados na parte interna do saco, mesmo quando este Ø totalmente virado para baixo e chacoalhado. Isto acontece porque esses grªos ao serem atritados com o plÆstico, durante o esvaziamento, ficam eletrizados e por isso sªo atraídos.

A separaçªo de cargas por atrito Ø bastante fÆcil de ser efetuada. Basta, por exemplo, esfregar um objeto plÆstico, tal como uma rØgua ou uma caneta esferogrÆfica, em papel ou numa blusa de lª. Quando aproximamos a regiªo atritada a pequenos pedaços de papel, aos pŒlos do braço ou cabelos, notamos que eles se atraem.

Em muitos laborÆtórios didÆticos de demonstraçªo Ø comum encontrarmos um aparelho que separa cargas elØtricas por atrito com grande eficiŒncia: o gerador de Van de Graaff.

exercitando

1. Quais as fontes de energia que vocŒ conhece? No Brasil, qual Ø a mais utilizada? Por que?

Rapidinhas

1. A maior usina hidroelØtrica do mundo estÆ no Brasil, localizada no rio ParanÆ. Tem 18 turbinas que em operaçªo sªo capazes de gerar 13.320.0.0 Watt de energia elØtrica. Sua construçªo teve como consequŒncia a inundaçªo de uma Ærea enorme para acœmulo de Ægua, o que torna muito discutível a construçªo de grandes usinas e o impacto ambiental provocado.

2. A construçªo das usinas nucleares utilizadas para geraçªo de energia elØtrica, foi uma maneira de manter em atividade a indœstria dos artefatos nucleares. A entrada do Brasil na chamada era nuclear, comprando usinas de uma empresa americana - a Westinghouse - foi muito polŒmica, uma vez que sua necessidade para o país era questionada. Localizada em Angra dos Reis, no Rio de Janeiro, sua construçªo teve início em 1972 e começou a operar somente em 1985. Tendo como característica o fato de interromper o seu funcionamento - 30 vezes somente nos primeiros 6 anos - Ø conhecida como "vaga-lume".

3. AtØ o acidente na usina de Chernobyl na Ucrânia em 1986,era voz corrente que uma usina nuclear jamais podia explodir: "As chances de fusªo de um nœcleo sªo de uma a cada 10.0 anos. As usinas sªo dotadas de controle seguros e confiÆveis, protegidos de qualquer colapso por trŒs sistemas de segurança diferentes e independentes...". Entretando, o impossível acontece! Com a explosªo que arrancou o teto do reator de 700 toneladas, uma bola de fogo lançou no ar, a mais de 1000 metros de altura, uma mistura de elementos radiativos. Estima-se que entre 7 e 10.0 o nœmero de mortos e 160.0 km2 de Ærea contaminada.

Atrite uma caneta ’bic’ junto a um pedaço de plÆstico e depois aproxime-a de pedacinhos de folha de papel.

2. Alguns tipos de acendedores de fogªo nªo utilizam diretamente a energia elØtrica da tomada e tampouco a de uma bateria comum. No entanto, tais acendedores produzem uma faísca quando pressionados por uma espØcie de gatilho preso a uma mola. Discuta que transformaçıes de energia ocorrem nesse dispositivo.

3. Os dínamo e os alternadores podem ser classificados como fontes de energia elØtrica. Quais as formas de energia transformadas em energia elØtrica nesses aparelhos?

O que ocorreu com a caneta após ela ter sido atritada? Esse processo Ø semelhante a qual dos discutidos nas pÆginas 78 e 79?

21 Dínamo de bicicleta

A Física do dínamo de bicicleta serÆ ilustrativa para entender o gerador de usina hidrelØtrica

Quando ouvimos falar em geradores de eletricidade, pensamos logo nas usinas, suas barragens; mas o dínamo de bicicleta Ø tambØm um gerador que representa uma das duas maneiras conhecidas de se obter energia elØtrica. Uma pista para se saber como isso Ø obtido estÆ presente na ilustraçªo. Qual Ø ela?

21Dínamo de bibicleta

Os geradores das usinas e os dínamos de bicicleta sªo construídos de formas semelhante e tŒm o mesmo princípio de funcionamento. Em ambos, hÆ produçªo de energia elØtrica a partir da energia mecânica de rotaçªo de um eixo. A partir da atividade que vem logo a seguir vamos começar a desvendar esse mistØrio.

Dínamo de Bicicleta: o gerador arroz com feijªo

Para fazer esta atividade vocŒ vai precisar tomar duas provedŒncias:

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