PILHAS E BATERIASEletroqumica a parte da Qumica que estuda o relacionamento entre a corrente eltrica e as reaes qumicas, sendo a corroso por oxidao um processo eletroqumico chamado de xido-reduo. A oxidao retira eltrons dos tomos de um material, que permanecem no mesmo, e cria ons positivos (ctions), que fluem para o meio favorvel reao, chamado eletrlito (soluo inica). A medida com que um material se oxida, isto , sua capacidade de ceder eltrons, quantificada pelo seu potencial de oxidao ou potencial eletroqumico, dado em Volts, onde um material ser tanto mais corrosvel (andico) quanto maior for seu potencial eletroqumico.Quando dois materiais com diferentes potenciais de oxidao so inseridos num meio inico e ligados externamente por um fio condutor, os eltrons e os ons originados pela oxidao do material de maior potencial de oxidao (anodo ou eletrodo negativo) podem fluir para o de menor potencial (catodo ou eletrodo positivo) atravs do fio condutor (eltrons) e do eletrlito (ons), onde so ambos depositados (reduo). Desse modo, pode-se produzir uma circulao de uma corrente eltrica como resultado da diferena de potencial eletroqumico entre materiais (Figura 1.7).

O conjunto de eletrodos e eletrlito resulta ento em um dispositivo conversor de energia qumica em eltrica, chamada pilha eletroqumica ougalvnica, onde a tenso obtida dada pela diferena entre os potenciais de oxidao dos eletrodos.Pilhas e baterias (conjunto de pilhas) so fontes de tenso contnua formadas por clulas constitudas de pares anodo-catodo ligados em srie (para obter uma tenso maior) e/ou paralelo (para aumentar a capacidade de corrente, o que chamado ampacidade), diferenciadas por diversas caracterstica como formatos e tamanhos, tenso nominal, custo, ampacidade, densidade de energia (energia armazenada por volume), tempo de carga e auto descarga, vida til, etc., sendo basicamente classificadas em dois tipos descritos a seguir (aparncias na Figura 1.8):a) Primrias: so aquelas de difcil recarga quando seus reagentes se esgotam. Alguns exemplos mais comuns:

a.1) Pilha de Leclanch: tipo mais comum, disponvel em vrios tamanhos (AAA, AA, C e D) com tenso 1,5 V, possui pequena ampacidade, baixa vida til e emprego diversos (equipamentos eletrnicos). A pilha tipo B uma bateria de 9V, formada pelo conjunto de 6 pilhas de Leclanch em srie com tenso 1,5 V cada;a.2) Pilha alcalina: semelhante pilha de Leclanch, difere desta no uso de um composto alcalino (hidrxido de potssio) como eletrlito, que diminui a resistncia interna da pilha, permitindo ento maior ampacidade. So fabricadas nos mesmos tamanhos, tenso (1,5 V) e possuem os mesmos empregos das pilhas de Leclanch;a.3) Bateria de ltio: possui alta densidade de energia, pequeno peso e tamanho, descarga constante e longo tempo de estocagem. So usadas em calculadoras, relgios, etc. Tenso: entre 2 e 3,6 V dependendo do catodo.a.4) Bateria de zinco-xido de mercrio: pilha de alta capacidade em relao ao seu volume, descarga constante e boa vida na estocagem. Usada em aparelhos de audio, marca-passos, detectores, etc. Tenso: 1,2 V.

b) Secundrias: so aquelas em que as reaes qumicas so reversveis, sendo ento capazes de serem recarregadas forando-se o processo inverso ao da descarga, denominado eletrlise, para a

reparao dos elementos qumicos.Neste caso, o processo consiste em conectar uma fonte com tenso maior que a nominal da pilha ou bateria, com a polaridade tal que circule uma corrente de sentido contrrio ao de descarga destas. As secundrias apresentam normalmente maior preo que as primrias, mas diluem o custo a longo prazo. Alguns exemplos mais comuns:

b.1) Baterias de chumbo-cido: possuem diversos tamanhos, elevada auto-descarga e preos comparativamente baixos. Apresentam problemas de manuteno devido ao eletrlito utilizado (soluo de cido sulfrico). Tem amplo emprego em veculos motorizados, instrumentos portteis, iluminao de reserva, no-breaks, etc.b.2) Baterias de nquel-cdmio (NiCd): possuem alta densidade de energia, longo ciclo de vida e estocagem, bom desempenho a baixas temperaturas e pouca manuteno. Necessita ser carregada at sua capacidade total e descarregada at o mnimo (efeito memria). utilizada em iluminao de emergncia, telefones sem fio, etc.b.3) Baterias de on de ltio (Li-ion): de recente desenvolvimento, apresentam elevada ampacidade e densidade de energia, pequeno peso, rpido carregamento e sem efeito memria. So usadas em dispositivos que requerem elevada energia para seu funcionamento e pequeno tempo de recarga, tais como equipamentos eletrnicos portteis (laptops, celulares, tablets, etc.) e veculos eltricos. Apresentam o dobro da energia que a bateria de hidreto metlico de nquel (NiMH), esta tambm de recente desenvolvimento e empregos similares.

LMPADAS Lmpadas so dispositivos transdutores que transformam energia eltrica em luminosa. Do ponto de vista luminotcnico, as lmpadas apresentam diversas caractersticas, dentre as quais pode-se citar: # Rendimento luminoso: indica o quanto da potncia absorvida convertida luz, dado em lm/W(lm= lmens); # Reproduo de cor: indica a capacidade da lmpada em refletir fielmente as cores de um objeto ou superfcie; # Vida til: indica o tempo mdio em horas aps o qual a lmpada se queima ou deixa de emitir luz utilizvel. Com exceo das recentes lmpadas de LED (diodo emissor de luz), as de uso mais comum em Eletrotcnica so classificadas basicamente em duas categorias, descritas brevemente a seguir: a) Lmpadas incandescentes: produzem luz a partir da incandescncia de um filamento de tungstnio superior a 2000 C. Constituem-se de um bulbo de vidro contendo gs inerte (argnio, nitrognio ou criptnio) para evitar a evaporao do filamento, este conectado a uma base (tipo rosca ou baioneta) por hastes metlicas (Figura 1.9-a). Apresentam pequena vida til (1000 horas), boa reproduo de cor e baixo rendimento luminoso (17 lm/W). Alm de iluminao de ambientes, estas lmpadas so empregadas tambm como fonte de calor para secagem, aquecimento e

esterilizao, sendo produzidas em diversos formatos (Figura 1.9-b). Um aprimoramento so as chamadas lmpadas halgenas, em que o filamento confinado em uma ampola de quartzo contendo gases inertes e elementos halgenos (bromo e iodo), com a finalidade de regenerar o filamento (exemplos na Figura 1.9-c), obtendo-se uma vida til de at 4.000 horas e um rendimento de at 25 lm/W.

b) Lmpadas de descarga: constituem-se de um envoltrio transparente selado com certos vapores metlicos (sdio, mercrio, etc.) e gases (argnio, nenio, etc.) em alta ou baixa presso (gases e vapores tornam-se relativamente condutores quando rarefeitos), contendo ainda terminais (eletrodos) para contato eltrico. Produzem luminosidade quando nos eletrodos aplicado uma tenso suficiente para ionizar o meio (plasma) e uma corrente nele gerada (descarga), onde os eltrons dos tomos do gs ou vapor absorvem energia proveniente do choque com eltrons constituintes da corrente, vindos a se deslocarem para nveis de maior energia e, desse modo, emitir luz (radiao) no retorno ao seus nveis naturais. Os tipos de lmpadas de descarga mais comuns so (Figura 1.10):

b.1) Fluorescentes: constituem-se em um tubo de vidro contendo uma gota de mercrio e argnio a baixa presso. Quando conectadas a um circuito, os eletrodos se aquecem e emitem eltrons (efeito termoinico), que inicia a ionizao do argnio. Com a aplicao de um pulso de tenso, inicia-se uma corrente eltrica que vaporiza o mercrio e este passa a emitir radiao. Como parte dessa radiao consiste na faixa do ultravioleta, ento a parede interna do tubo contm depositada uma substncia denominada fluorescente, que absorve esta radiao e a converte em luz visvel. So construdas em diversos formatos (Figuras 1.10-a e b) e apresentam bom tempo de vida til (10.000 horas), rendimento (40 a60 lm/W) e empregos variados, tais como iluminao de ambientes e decorao, alm de esterilizao com um tipo com tubo sem o revestimento fluorescente. b.2) Vapor de mercrio: possuem um tubo de quartzo contendo eletrodos de tungstnio (principais e auxiliar), um gs inerte e mercrio sob alta presso, sendo ainda o tubo envolto por um bulbo de vidro coberto com uma camada de p fluorescente. A partida feita por uma bobina, que inicia um arco eltrico entre os eletrodos principais e auxiliar, e produz-se energia luminosa. O tempo de partida muito elevado (cerca de 8 minutos) mas, devido ao bom espectro para reproduo de cores (luz branco-azulada), preo relativamente baixo, bom rendimento (at 60 lm/W) e tempo de vida til (20.000 horas), so utilizadas em larga escala na iluminao de ruas, praas, parques, estacionamentos, ptios, hangares, fbricas, postos de gasolina, campos de futebol, etc. b.3) Vapor de sdio: semelhante s lmpadas de vapor de mercrio, utilizam o princpio da descarga em um tubo de xido de alumnio contendo vapor de sdio, envolto por um bulbo de vidro duro. Fabricadas nas variantes alta e baixa presso, apresentam rendimento bastante elevado (120 lm/Wna verso alta presso e 200 lm/Wna verso baixa presso) e boa vida til (10.000 h), mas emitem luz quase monocromtica (amarela alaranjada), o que resulta em um baixo ndice de reproduo de cores. So recomendadas para iluminao de exteriores e de segurana em locais onde a acuidade visual seja importante mas sem necessidade de distino de cores, tal como autoestradas, aeroportos e espaos pblicos, ou ainda em

situaes em que a poluio luminosa seja uma restrio ou se pretenda reduzir a interferncia da iluminao na fauna noturna. b.4) Vapor e multivapor metlico: possuem tubo de descarga em alta presso preenchido com mercrio, haletos metlicos (iodeto de ndio, tlio e sdio) e gases (argnio e nenio), envolto por bulbo com p fluorescente. Apresentam alto rendimento (120 lm/W), alto custo e mesmos empregos das lmpadas de vapor de mercrio. b.5) Luz mista: possui este nome por constituir-se de duas fontesde luz: um tubo de descarga de mercrio e um filamento de tungstnio ligado em srie com a finalidade adicional de limitar a corrente na lmpada. Possuem boa vida til (10.000 h) s custas de baixa temperatura de funcionamento do filamento, resultando em baixo rendimento (26 lm/W). Contudo, tem a vantagem de no necessitar de reator, podendo ser ligadas diretamente rede eltrica. Apresentam boa reproduo de cores e aplicao semelhante ao das lmpadas a vapor. b.6) Lmpadas de neon: constituem-se de um tubo de vidro contendo principalmente gs nenio a baixa presso que emite uma luz vermelho alaranjada, sendo o termo empregado tambm para dispositivos semelhantes que contm outros gases nobres para produzir outras cores. So largamente empregadas como letreiros luminosos. b.7) Lmpadas de induo: seu princpio de funcionamento semelhante aos das lmpadas de descarga, diferindo destas pelo fato da corrente ser induzida por um campo magntico de alta frequncia (2,65 MHz) produzido por um circuito eletrnico integrado, no necessitando de eletrodos. Devido elevada eficincia (70 lm/W) e tempo de vida (60.000 h), so aplicadas em iluminao de espaos pblicos e grandes galpes industriais.

Observaes: como comentrios adicionais ao estudo dos dispositivos emissores de luz artificial, tem-se: 1) Transdutores: so dispositivos de monitoramento por meio de um elemento sensor, como por exemplo deteco de presso, posio, velocidade, fora, temperatura etc., transformadas em um valor de corrente ou tenso eltrica. 2) Fluorescncia: a propriedade de certos materiais em emitir luz no espectro visvel quando expostos a radiaes de menor comprimento de onda, por exemplo ultravioleta ou raios X. A energia da radiao incidente provoca uma excitao de eltrons no material que, ao retornarem aos seus nveis, emitem esta energia absorvida na forma de radiao visvel. Assim, o fenmeno da fluorescncia s perdura enquanto existir uma fonte de radiao incidente. 3) Fosforescncia: um efeito similar fluorescncia, diferindo desta pelo fato dos eltrons excitados por radiao voltarem lentamente para os nveis fundamentais, ou seja, emitem luz aos poucos, mesmo aps o trmino da fonte de radiao. Materiais fosforescentes (por exemplo,sulfeto de zinco) podem ento ser aplicados para sinalizao de dispositivos na ausncia de luz, tais como interruptores, tomadas, ponteiros de relgios e placas de trnsito.

FIBRA TICA As fibras ticas tm sido intensamente empregadas como meio slido de propagao de informaes, atravs do guiamento de ondas eletromagnticas que modulam sinais em sistemas de comunicao como telefonia e rede de computadores. Para o entendimento do guiamento de onda na fibra tica, dois fenmenos pticos so de interesse: 1) Reflexo:quando um raio de luz, propagando-se em um meio qualquer, incide em uma superfcie com um certo ngulo i com a normal superfcie no ponto de incidncia, sofre um desvio de um ngulo r = i tambm com a normal e continua a se propagar no mesmo meio incidente, diz-se que o raio sofreu reflexo (Figura 1.11-a).2) Refrao:quando um raio de luz, propagando-se em um meio material 1 com velocidade v1, incide em uma superfcie limitadora de um meio material 2 com um certo ngulo 1com a normal superfcie, sofre um desvio em sua direo e passa a se propagar no meio 2 com um certo ngulo 2e velocidade v2, diz-se que o raio sofreu refrao (Figura 1.11-b), sendo neste caso a fronteira que delimita os meios de propagao denominada diptro. A medida qualitativa da refrao chamada refringncia, caracterizada em um meio por seu ndice de refrao absoluto n dado pela razo entre as velocidades c da luz no vcuo e a de propagao v no meio, tal que: n = c/v. Logo, quanto menor a velocidade da luz no meio, maior o seu ndice e diz-se que mais refringente o meio. O fenmeno da refrao regido pela Lei de Snell-Descartes definida por (Figura 1.11-b):

ou seja, a razo entre o seno dos ngulos de incidncia e refrao e entre as velocidades de propagao dos meios uma constante igual ao inverso da razo entre os ndices de refrao absolutos dos meios que formam o dioptro. Com base na equao (1.13) nota-se que, se n2< n1 , ento 2> 1 , ou seja, na propagao de um meio de maior para um de menor refringncia, o raio se afasta da normal. Neste caso, o aumento do ngulo de incidncia poder atingir um valor limite L a partir do qual o raio no mais se refrata e passa a sofrer reflexo total (Figura 1.11-c).

A possibilidade de ocorrer reflexo total de um raio de luz se propagando por um material mais refringente para um menos refringente, permite que se obtenha o efeito do guiamento de um raio de luz ao longo de um meio material. Fibras ticas, que representam uma aplicao prtica deste guiamento de luz, consistem em um cabo formado basicamente por um ncleo cilndrico de material altamente transparente, envolvido de forma coaxial por uma fina casca de material menos refringente que o ncleo, podendo apresentar ainda uma capa plstica de proteo contra choques mecnicos (Figura 1.12-a). A casca normalmente de material plstico, com o ncleo podendo ser de plstico ou slica altamente purificada. Desse modo, o sinal de luz a ser transmitido propagado atravs do ncleo por reflexo interna total no diptro ncleo-casca (Figura 1.12-b). Atualmente, os sistemas pticos utilizam luz infravermelho, por sofrer menor atenuao que a luz visvel, proveniente de um dispositivo semicondutor denominado LED laser.

Um sistema de transmisso por fibra ticas (Figura1.12-c) formado basicamente por um circuito transmissor, que converte o sinal eltrico em tico, um cabo de fibra tica como meio de propagao do sinal tico,e um circuito receptor, que converte o sinal tico novamente em eltrico, alm de conectores responsveis pelas ligaes terminais. O driver, pode ser um LED laser, fornece o sinal eltrico em condies requerida pelo emissor tico. O detetor tico pode ser um fotodiodo e a interface de sada basicamente amplifica o sinal eltrico e o regenera, se necessrio. A fibra tica apresenta diversas vantagens como meio de comunicao, dentre as quais pode-se citar: baixa atenuao, elevada largura de banda (maior capacidade de transmisso), imunidade a campos magnticos, baixo peso, isolao eltrica (no produzem faiscamentos), sigilo e segurana (no permite retirada de sinais sem se danificar).

LASER O laser, sigla para amplificao da luz por emisso estimulada de radiao (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), um feixe emergente de radiao eletromagnticacujo princpio de funcionamento, como seu prprio significado sugere, baseado em um fenmeno da matria conhecido como emisso estimulada. Como visto, um eltron excitado apresenta a tendncia de retornar ao seu nvel fundamental e, neste processo, emite a diferena de energia entre os nveis na forma de um pacote de luz (fton). Nas escalas de tempo atmico, este retorno bastante lento, porm o eltron pode ser estimulado se no mesmo incidido um fton, o que resulta em um fton emitido pelo eltron de mesmo comprimento de onda e fase do fton incidido. Os ftons resultantes podem a seguir estimular outros ftons idnticos, estes ltimos podem estimular outros idnticos e assim sucessivamente em um efeito cumulativo que resulta em uma grande quantidade de radiao idntica emergindo do meio material.

Um mecanismo bsico de produo da luz laser consiste de um recipiente de paredes internas espelhadas, chamado cavidade ptica, preenchido por um meio ativo composto por uma amostra de material slido, lquido ou gasoso, no qual um grande nmero de tomo so excitados devido a um bobeamento (de luz, campo eltrico, etc.), que fornece energia a este meio (Figura 1.13). Os eltrons excitados destes tomos produzem inicialmente ftons, que so refletidos de volta sobre o material devido superfcie espelhada da cavidade ptica, e estimulam uma nova gerao de ftons que tambm so re-incididos no material e assim sucessivamente. Aps vrios passos, uma frao dos ftons,que esto se movimentando na direo do eixo da cavidade, emergem por uma abertura ou por um espelho que apresenta reflexo parcial. Essa frao dos ftons continuamente emergentes da cavidade ptica consiste ento em um

feixe de luz laser (Figura 1.13).

Assim, o laser apresenta diversas propriedades especiais, tais como: monocromtico (as ondas eletromagnticas que compem o feixe possuem comprimento onda bem definido), coerente (as ondas oscilam de forma sincronizada, isto , esto em fase) e colimado (as ondas propagam-se na mesma direo de forma praticamente paralela). Como meio ativo, que define o comprimento de onda do laser, so empregado diversos materiais, tais como: Hlio-Nenio (11500 ), Rubi (6940 ), Arsenieto de Glio (6000-11000 ), Neodmio-YAG (10600 ), rbio-YAG (29400 ) e Hlmio-YAG (21000 ), onde YAG um material sinttico dopado semelhante ao diamante. Comercialmente, o laser pode ser produzido em diversas potncias (0,1 - 500 mW) de acordo com a sua vasta aplicao, tais como: telecomunicaes (transmisso de informao via luz acoplada a uma fibra tica),cientficas (praticamente todas as cincias experimentais tem algum emprego para o laser), indstria e comrcio (instrumentos de corte, soldagem e marcao de peas, confeces de moldes, impressoras, leitor de cdigo de barras, etc.), medicina e odontologia (instrumentos de corte cirrgicos, tratamentos de cncer, bipsias, pinas pticas, remoo de cries, etc.) e leitura e gravao de dados, informaes e contedo de entretenimento (CDs e DVDs, etc.).

CLULA COMBUSTVEL A HIDROGNIO Clula combustvel (Fuel Cell), tambm chamada de clula a combustvel (CaC) ou clula de combustvel, um dispositivo em que um agente redutor (combustvel) e um agente oxidante (comburente) so consumidos de forma a converter a energia qumica da reao envolvida diretamente em energia eltrica. A estrutura bsica de uma clula combustvel constitui-se de um eletrodo negativo (anodo), que alimentado com um gs combustvel, um eletrodo positivo (catodo), que recebe o comburente, um eletrlito com a funo de transportar ons positivos produzidos no anodo para o ctodo, e catalizadores nestes eletrodos para acelerar as reaes eletroqumicas, sendo o resultado destas reaes a produo de corrente eltrica em um circuito ou dispositivo externo a este sistema (Figura 1.14).

O modelo de clula combustvel de maior desenvolvimento tecnolgico utiliza hidrognio (combustvel) e oxignio (comburente) como reagentes, uma membrana eletroltica polimrica (PEM) condutora de prtons e catalizadores de platina que revestem os eletrodos. O hidrognio introduzido no anodo da clula oxidado (ionizado) no catalisador e dissociado em prtons (ons H+) e eltrons. Os prtons so conduzidos atravs da membrana para o catodo e os eltrons so forados a percorrer o circuito externo na forma decorrente eltrica contnua, devido a uma diferena de potencial estabelecida entre os eletrodos (Figura 1.14). No catodo, o oxignio fornecido reage com os prtons vindos do eletrlito e com os eltrons provenientes do circuito externo, produzindo vapor dgua (Figura 1.14). Na prtica, cada par eletrodos/eletrlito pode produzir uma ddp de cerca de 1 V e diversos pares podem ser conectadas em srie, para a obteno de maior tenso, e/ou paralelo, para a obteno de maior corrente.

As tecnologias de maior desenvolvimento na atualidade consistem nas das clulas de membranas polimricas (chamadas PEFC), bem como nas de xido slido ou cermicos (SOFC) e nas de carbonato fundido (MCFC). As clulas combustvel tm a vantagem de serem pouco poluentes e altamente eficientes, podendo ser utilizadas como sistemas de emergncia e fonte de energia eltrica em aparelhos portteis (celulares, notebooks e automveis) e em regies com carncia de rede eltrica. No entanto, o emprego do hidrognio como combustvel apresenta ainda vrios problemas prticos a serem superados. O hidrognio altamente inflamvel, o que exige o desenvolvimento de tecnologias para o reabastecimento seguro das clulas. Alm disso, este gs no se constitui em uma fonte primria de energia, pois precisa ser fabricado a partir de outras fontes, tais como gasolina, gs natural, metanol, leos, biomassa gaseificada, etc., necessitando-se para isso o consumo de outra forma de energia (por exemplo, trmica ou eltrica). Embora clulas combustvel e pilhas eletroqumicas produzam energia eltrica sem a necessidade de combusto ou dispositivos rotativos e tenham componentes e caractersticas similares, elas diferem no sentido de que todos os ingredientes necessrios para as pilhas funcionarem esto contidas em seu invlucro, razo pela qual so dispositivos de armazenamento de energia. As clulas combustvel, por sua vez, empregam dois agentes qumicos (combustvel e comburente) fornecidos de fontes externas ao sistema e, desse modo, podem produzir continuamente energia eltrica enquanto for mantido o provimento destes ingredientes, isto , funcionam como dispositivos de converso de energia.

PILHAS E BATERIASLMPADASFIBRA TICALASERCLULA COMBUSTVEL A HIDROGNIO