Artigos Publicados no Jornal da LABRE-CE
quarta-feira, 26 de setembro de 2012
domingo, 16 de setembro de 2012
A Válvula Termoiônica
Válvula termiônica é um dispositivo eletrônico formado por um invólucro de vidro de alto vacuo chamada ampola contendo vários elementos metálicos. Os elementos metálicos internos são, o filamento, cuja função é o aquecimento do catódo para a emissão de elétróns, o catódo, emissor de elétrons, a placa, ou ânodo, receptor de elétrons, a grade de controle, que, dependendo de sua polarização, aumenta ou diminui o fluxo eletrônico do cátodo ao ânodo, além de outras grades que podem formar as válvulas triódos, pentódos, etc.
O funcionamento do diodo termiônico é bem simples, ao ligarmos uma bateria e um miliamperímetro em série, sendo o polo positivo à placa e o polo negativo ao cátodo, este sendo aquecido a determinada temperatura e a partir de uma certa tensão aplicada ao sistema, começará fluir uma corrente elétricaconstante entre cátodo e placa (ânodo), não importando a oscilação da tensão, a intensidade de corrente será sempre a mesma, a este fenômeno se deu o nome de efeito Edson
Ao polarizarmos tensão positiva à placa, os elétrons de carga espacial são atraídos, portanto o fluxo de corrente será baixo.Aumentando a tensão de placa, estando a temperatura de cátodo
constante, será atraído maior número de elétrons para a placa e quase
não haverá retorno ao cátodo. Haverá um momento neste aumento de tensão
em que o diodo atingirá o ponto de saturação, onde todos os elétrons
serão absorvidos.
O diodo termiônico só deixa passar a corrente elétrica num sentido, funcionando como retificador.
quarta-feira, 12 de setembro de 2012
Robô mula sem cabeça
O projeto recebeu o nome de Legged Squad Support Systems (Sistema de
Apoio a Equipes sobre Patas, em tradução Livre), ou LS3. Ele foi
elaborado em conjunto por várias instituições de pesquisa dos Estados
Unidos.
O uso do robô é militar. Ele é capaz de levar quase 200 kg, tem
autonomia para andar 32 km e trabalha 24 horas seguidas sem parar.
Serviria, portanto, como um burro de carga para os soldados.
A vantagem do formato de cavalo é justamente esta – ao contrário de um
veículo sobre rodas, o cavalo é capaz de acessar qualquer lugar por onde
um soldado possa caminhar, por mais íngreme ou acidentado que seja.
Outra vantagem do robô é que ele não precisa de um piloto. A máquina é
programada para seguir alguém com sua visão de computador e sensores de
localização, além de contar com um GPS para se orientar.
terça-feira, 11 de setembro de 2012
Propagação Transequatorial (Bolhas Ionosféricas)
O estudo do INPE sobre Bolhas Ionosféricas explica perfeitamente um fenômeno que integrantes do DX Clube do Brasil vem notando repetidamente há muitos anos. De outubro a março de cada ano, emissoras de FM da região do Caribe podem ser ouvidas no sul do Brasil. Embora não soubéssemos a causa precisa, sabe-se que algo reflete as ondas de FM ( na faixa de VHF ) de volta para a superfície, no período citado.
O INPE enviou um artigo mostrando a pesquisa sobre as bolhas ionosféricas que é reproduzido abaixo.
Nem sempre os problemas de interferência percebidos na tela da televisão ou na transmissão do rádio são causados pela má qualidade do aparelho ou pela antena a ele ligada. O fenômeno natural, conhecido como bolhas de plasma, ou bolhas ionosféricas, descobertas sobre o território brasileiro por cientistas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), também pode comprometer a captação dos sinais de satélites.
Durante o dia, a atmosfera eletricamente neutra da Terra (composta majoritariamente por oxigênio e nitrogênio) sofre um bombardeio de raios ultravioletas vindos do Sol, os quais através de uma ação fotoelétrica, geram íons e elétrons, a partir da altura de aproximadamente 60 km., criando, dessa forma, a ionosfera terrestre. A ionosfera, portanto, situa-se acima de aproximadamente 60 km de altura. Ela foi descoberta no início do século XX por interferir na radio propagação.
Durante o dia, a ionosfera é mais densa, ou seja, abarca mais elétrons e íons livres devido à presença da radiação solar. Após o pôr-do-sol, a ionosfera começa a desaparecer por recombinação entre elétrons e íons, e, na região tropical (isto é, entre os trópicos de Câncer e Capricórnio), ela sobe repentinamente de altura com uma velocidade muito grande em cuja condição forma-se a bolha.
As bolhas de plasma são enormes regiões de vazio de plasma e surgem após o pôr-do-sol (elas nunca ocorrem durante o dia) e podem se estender por milhares de quilômetros ao longo das linhas de força do campo magnético terrestre (a Terra é um imenso imã e portanto tem linhas de campo magnético como ocorre com qualquer imã). A ocorrência das bolhas está aproximadamente restrita à região intertropical devido às condições físicas locais que favorecem a geração do fenômeno.
Na região brasileira elas ocorrem mais fortemente entre outubro e março e a sua freqüência de ocorrência diminui até atingir um mínimo por volta de junho ou julho. A bolha interfere nas telecomunicações via satélite por difração das ondas (eletromagnéticas) das telecomunicações, causando-lhes forte alteração tanto de amplitude como de polaridade, o que gera os ruídos. Um resultado típico de tal interferência é o aparecimento de pontos escuros e luminosos na tela do receptor, na recepção direta por antena parabólica caseira. Sistemas de telecomunicações de grande porte tais como os utilizados por muitas empresas de telecomunicações podem também eventualmente sofrer fortes interferências, chegando aos blackouts(interrupções totais) nas comunicações.
As primeiras detecções do fenômeno das bolhas sobre o território brasileiro ocorreram em 1976 por meio de observações ópticas da ionosfera sobre a região de Cachoeira Paulista, cidade do interior do estado de São Paulo, pelos pesquisadores José Humberto Sobral e Mangalathayil Abdu, ambos do Inpe. A descoberta do referido fenômeno sobre o território brasileiro aconteceu simultaneamente em outras partes do globo terrestre por pesquisadores estrangeiros. É importante ressaltar que esse fenômeno acontece aproximadamente dentro da região tropical, em cujo caso, significa que Europa, Estados Unidos e Japão, por exemplo, não são atingidos pelo fenômeno.
As bolhas passam a interferir mais fortemente durante a fase de máxima atividade solar que ocorre a cada 11 anos e estamos passando por tal máximo agora, no corrente ano 2001. A partir do ano de 1984 a Divisão de Aeronomia do INPE já desenvolveu cerca de 11 cargas úteis para foguetes nacionais e estrangeiros para experimentos ionosféricos, em colaboração com o Centro Técnico AeroEspacial e em três de tais experimentos os foguetes passaram por dentro das bolhas medindo os seus campos elétricos e a sua composição de elétrons.
Agradecimento:
Dr. José Roberto de Andrade Sobral
Divisão de Aeronomia
Área de Ciências Espaciais e Atmosféricas
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
São José dos campos - SP
Divisão de Aeronomia
Área de Ciências Espaciais e Atmosféricas
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
São José dos campos - SP
Fonte
segunda-feira, 3 de setembro de 2012
domingo, 2 de setembro de 2012
A anatomia de uma Célula Fotovoltáica
Antes, o silício era eletricamente todo neutro. Nossos elétrons extras
foram balanceados pelos prótons extras nos fosforosos. Os elétrons que estão
faltando (buracos) foram balanceados pelos prótons que estão faltando no boro.
Quando os buracos e os elétrons se misturam na junção do silício tipo-N
e tipo-P, essa neutralidade é rompida. Todos os elétrons livres preenchem
todos os buracos livres? Não. Se eles preenchessem, então a organização total
não seria muito útil. Porém, bem na junção, eles se misturam formando uma
barreira, dificultando mais e mais para os elétrons no lado N atravessarem para
o lado P. Finalmente, o equilíbrio é alcançado e temos um campo elétrico
separando os dois lados.
O efeito do campo elétrico em uma célula FV |
Este campo elétrico atua como um diodo, permitindo (e mesmo empurrando) os
elétrons para fluírem do lado P para o lado N, mas não ao contrário. É como uma
montanha, os elétrons podem descer facilmente a montanha (para o lado N), mas
não podem subi-la (para o lado P).
Então, conseguimos um campo elétrico
atuando como um diodo no qual os elétrons apenas podem se mover em um sentido.
Vamos ver o que acontece quando a luz atinge a célula.
Quando a luz, na forma de fótons,
atinge nossa célula solar, sua energia libera os pares de furos e
elétron-buraco.
Cada fóton com energia suficiente
normalmente liberará exatamente um elétron, resultando em um buraco livre também. Se isto acontece muito perto
do campo elétrico, ou se acontecer do elétron livre e do buraco livre estarem
na região de influência do campo, ele enviará o elétron para o lado N e o
buraco para o lado P. Isto causa ruptura adicional da neutralidade elétrica e,
se fornecermos um caminho externo para a corrente, os elétrons fluirão, através
do caminho, para seu lado original (o lado P) para unirem-se com os buracos que
o campo elétrico enviou para lá, fazendo o trabalho para nós ao longo do
caminho. O fluxo de elétrons fornece a corrente e o campo elétrico das células causa
uma voltagem. Com a corrente e a voltagem, temos apotência que é o produto dos dois.
Ainda restam algumas etapas antes que possamos
realmente usar nossa célula. Acontece que o silício é um material muito
brilhante e, portanto, reflete muito. Os fótons que são refletidos não podem
ser usados pela célula. Por esta razão, um revestimento anti-reflexo é aplicado no topo da célula para
reduzir a perda de reflexo para menos de 5%.
A etapa final é a placa de cobertura de vidro que protege a célula dos fenômenos
atmosféricos. Os módulos são feitos pela conexão de várias células (geralmente
36) em séries e em paralelo para atingir níveis úteis de voltagem e corrente, e
colocá-las em uma forte estrutura completa com cobertura de
vidro e terminais positivos e negativos na parte de trás.
Perda de energia numa célula solar
A luz visível é parte do espectro eletromagnético. A radiação eletromagnética não é
monocromática, é composta de uma variação de comprimentos de onda diferentes e
conseqüentemente de níveis de energias diferentes.
A luz pode ser separada em comprimentos de onda diferentes e podemos
vê-los na forma de um arco-íris. Como a luz que atinge nossa célula tem fótons
de uma grande variedade de energias, alguns deles não possuem energia
suficiente para formar um par de elétron-buraco. Eles simplesmente passarão
pela célula como se ela fosse transparente. Somente uma certa quantidade de
energia, medida em elétron-volts (eV) e definida por nosso material da célula
(cerca de 1,1 eV para o silício cristalino), é requerida para arrancar um
elétron. Chamamos isso de energia de espaçamento entre as bandas de um material. Se um fóton tem mais
energia do que a quantidade necessária, então a energia extra é perdida (a
menos que um fóton tenha o dobro da energia requerida, e possa criar mais do
que um par de elétron-buraco, mas este efeito não é significativo). Estes dois
efeitos sozinhos são responsáveis pela perda de cerca de 70% da energia de
radiação incidente na nossa célula.
Por que não podemos escolher um material com um espaçamento entre as
bandas realmente baixo para que possamos usar mais fótons? Infelizmente, nosso
espaçamento determina a intensidade (voltagem) de nosso campo elétrico, e se
for muito baixo, então obtemos uma corrente extra (pois mais fótons são
absorvidos), e assim perdemos por ter uma voltagem baixa. Lembre-se de que a
potência é a voltagem vezes a corrente. O espaçamento ideal entre as bandas,
balanceando estes dois efeitos, está em torno de 1,4 eV para uma célula de um único
material.
Também temos outras perdas. Nossos elétrons tem de fluir de um lado da
célula para o outro através de um circuito externo. Podemos cobrir a parte
inferior com um metal, permitindo uma boa condução, mas se cobríssemos
completamente a parte superior, então os fótons não conseguiriam atravessar o
condutor opaco e perderíamos toda nossa corrente (em algumas células, os
condutores transparentes são usados na superfície superior). Se colocarmos
nossos contatos apenas nas laterais de nossas células, então os elétrons terão
de percorrer uma distância extremamente longa (para um elétron) para alcançar
os contatos. Lembre-se de que o silício é um semicondutor, não é nem de longe
tão bom quanto o metal para o transporte da corrente. Sua resistência interna
(chamada de resistência de série) é razoavelmente alta, significando altas
perdas. Para minimizar estas perdas, nossa célula é coberta por uma rede de
contato metálica que reduz a distância que os elétrons devem percorrer enquanto
cobrem apenas uma pequena parte da superfície da célula. Mesmo assim, alguns
fótons são bloqueados pela rede, que não pode ser muito pequena ou então sua
própria resistência será muita alta.
Alimentando uma casa com energia solar
Agora que temos nosso módulo FV, o que fazemos com ele? O que você teria
que fazer para trazer energia para sua casa através da energia solar? Embora
não seja tão simples como colocar alguns módulos no telhado, também não é tão
difícil assim.
Primeiro de tudo, nem todo telhado tem a orientação ou o ângulo de
inclinação adequado para tirar proveito da energia solar. Sistemas FV sem
rastreamento no Hemisfério Norte devem apontar em direção ao sul (esta é a
orientação). Eles devem ficar inclinados em um ângulo igual à latitude da área
para absorver a máxima quantidade de energia o ano todo. Uma orientação e/ou
inclinação diferente poderia ser usada se você quisesse maximizar a
produção de energia para a manhã ou tarde e/ou, ainda, para o verão ou inverno.
É claro que os módulos nunca devem receber sombra de árvores ou de prédios
vizinhos, não importa a hora do dia ou a época do ano. Em um módulo FV, mesmo
se apenas uma das 36 células estiver na sombra, a produção de energia será
reduzida por mais da metade.
Se você tem uma casa com um telhado sem sombra e direcionado para o sul,
você deve decidir que tipo de sistema você precisa. Isso é complicado
porque sua produção de eletricidade depende do clima, o que nunca é
completamente previsível, e sua demanda de eletricidade também pode variar.
Estes obstáculos são bem fáceis de superar. Os dados metereológicos dão uma média mensal de níveis de
raios solares para áreas geográficas diferentes. Eles levam em consideração as
chuvas e os dias nublados, bem como a altura, umidade e outros fatores subentendidos. Você deve planejar
para o pior mês para ter eletricidade o suficiente para o ano inteiro. Com
esses dados, e sabendo sua demanda doméstica média (suas contas de serviços
públicos informam a quantidade de energia que você gasta em cada mês), existem
métodos simples para determinar exatamente quantos módulos você vai precisar.
Você também vai precisar saber a voltagem do sistema, que você pode controlar
decidindo quantos módulos deve cabear em série.
Você já deve ter percebido quantos problemas vamos ter que resolver.
Primeiro, o que fazer quando o sol não sair? Certamente, ninguém iria querer
ter apenas eletricidade durante o dia e apenas em dias claros. Precisamos armazenar
energia, baterias.
Infelizmente, as baterias aumentam
muito o custo e a manutenção do sistema PV. Porém, atualmente é uma necessidade
se você quiser ser completamente independente. Uma forma de contornar o
problema é associar sua casa a uma rede de serviço público, comprando energia
quando necessário e vendê-la quando produzir demais. Desta forma, o serviço
público atua praticamente como um sistema de armazenamento infinito. O serviço
público tem que concordar e, na maioria dos casos, comprarão a energia de
você a um valor bem menor do que o preço de venda deles. Você também vai
precisar de um equipamento especial para ter certeza de que a energia que está
vendendo para o serviço público está sincronizado com o deles, isto é, se
compartilha as mesmas formas de ondas e freqüência. A segurança também é um
problema. O serviço público tem que assegurar que, se houver interrupção
de energia em seu bairro, seu sistema PV não fornecerá eletricidade para as
linhas que eles acham que estão inutilizadas. Isto é chamado de isolamento.
Se você decidir usar baterias, tenha em mente que elas precisarão de
manutenção e substituição depois de alguns anos. A duração dos módulos PV deve
ser de 20 anos ou mais, mas as baterias não têm um tempo de vida útil tão longo assim. As
baterias nos sistemas PV também podem ser muito perigosos por causa da energia
que elas armazenam e dos eletrólitos acidíferos que elas contêm, então você vai
precisar de um lugar muito bem ventilado e não metálico para elas.
Embora muitos tipos diferentes de baterias sejam usados, a única
característica que todas elas devem ter em comum é serem baterias
de ciclo profundo.
Diferentemente da bateria de seu carro, que é uma bateria de ciclo-baixo, as
baterias de ciclo profundo podem descarregar mais a energia armazenada enquanto
mantiverem uma longa vida. Para dar a partida no carro, as baterias descarregam
uma grande corrente num período muito curto e, imediatamente, recarregam
enquanto você dirige. As baterias PV geralmente tem que descarregar uma
corrente menor em um período maior (como durante a noite toda), enquanto é
carregada durante o dia.
As baterias de ciclo-profundo mais usadas são as baterias de chumbo(ambas seladas e ventiladas) e as
baterias de níquel-cádmio. As baterias de níquel-cádmio são
mais caras, mas duram mais e podem ser descarregadas mais por completo sem
causar danos. Mesmo as baterias de chumbo de ciclo profundo não podem ser
descarregadas 100% sem reduzir seriamente o tempo de vida e, geralmente, os
sistemas PV são projetados para descarregar as baterias de chumbo não mais de
40 ou 50%.
O uso das baterias também requer a instalação de outro componente
chamado controlador de carga. Elas duram muito mais se
tomar cuidado para que não sejam sobrecarregadas ou descarregadas demais. É
isso que o controlador de carga faz. Uma vez que as baterias estejam totalmente
carregadas, o controlador não deixa que a corrente dos módulos PV continuem
fluindo para eles. Também, uma vez que as baterias tenham sido descarregadas
até certo nível, controladas pela medição de voltagem, muitos controladores de
carga não permitirão que mais corrente seja drenada das baterias até que elas
tenham sido recarregadas. O uso do controlador de carga é essencial para a vida
longa da bateria.
Outro problema é que a eletricidade gerada por seus módulos PV (e
extraída das baterias se você optar por usá-las) é uma corrente direta,
enquanto que a eletricidade fornecida pela empresa de energia (e o tipo que
todo aparelho em sua casa usa) é a corrente alternada. Você vai precisar de um inversor, um aparelho que converte a DC
(corrente direta) para a CA (corrente alternada). A maioria dos grandes
inversores também permitirão que controle automaticamente como seu sistema
funciona. Alguns módulos PV, chamados de módulos CA, na verdade, já têm um inversor
embutido em cada um, eliminando a necessidade de uma grande central inversora e
simplificando os problemas de instalação elétrica.
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