Mãos na microeletricidade para formadores

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 carga
eletrostática podia ser transferida entre corpos.
Mas havia uns corpos que quando usados como
elementos de separação impediam a
transferência (isoladores) e outros que a
permitiam (condutores) – teoria dos “dois
fluidos“. 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 gerador
eletrostático de Hauksbee para fazer passar uma corrente
elétrica através de nervos de pernas de rã, fazendo-as contrair.
Galvani descobriu que músculos e células nervosas eram como
jarras de Leyden, produzindo e armazenando eletricidade,
através de reações químicas, não necessitando de usar o
gerador eletrostático para gerar a carga.
Alessandro Volta, Físico Italiano afirmava que a
eletricidade animal não existia. Provou a eletricidade de
duas moedas de diferentes materiais na boca com uma
colher de prata por cima destes.

Frankestein, Mary Shelley (1818)
No romance de ficção científica, o cientista ressuscita um monstro usando a eletricidade...

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 o
circuito (proveniente da energia química ou outra forma de
energia armazenada) e todos os componentes do circuito
elétrico TRANSFEREM ESSA ENERGIA PARA OUTROS CORPOS
OU ESPAÇOS (consomem energia). A libertação e consumo de
energia elétrica é um processo contínuo no tempo, isto é, a
fonte de alimentação liberta continuamente energia e os
componentes do circuito elétrico consomem continuamente
energia. À rapidez com que a energia é libertada e ou
consumida designa-se por potência elétrica e a sua unidade
S.I é o watt (ou joule por segundo).
Potência elétrica entrada/saída, unidade S.I é o watt (símbolo
W).

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, liberta
0,64 joule de energia para
o circuito, no máximo, por
cada segundo. Isto
significa que se quisermos
ligar a essa pilha uma
componente elétrica de
potência mínima de
entrada 1 watt esta não
vai funcionar! Mas se por
outro lado quisermos ligar
uma lâmpada de 0,5 W de
entrada esta vai acender.
Lâmpada acesa
Pconsumo= 0,5 W
0,64 Wpilha
321321
pilhaàligadacomponentepilhamáx.
W0,5W0,64
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) terá
de 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 as
componentes irião funcionar. Falta o resto da
história …
....2componente1componente ++> 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 a
intensidade de corrente (I) que percorre um
determinado ramo do circuito. Estas
quantidades podem ser medidas usando um
multímetro:




∆
A)(emicroampèrou(mA)miliampère
ou(A)ampèreemmedidageralmenteé
(mV)milivoltou(V)voltemmedidageralmenteé
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 medidosvaloresosrmultiplica
multímetrousandomedirmultímetrousandomedir
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?
{ {
mW640W0,64
A0,16V4,01
:figuradaexemploNo
produtoocalcular
medirmedir
==
×=
×∆=
P
IVP
48476
∆∆∆∆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!
{ {
W481
A921V0,77
:figuradaexemploNo
produtoocalcular
medirmedir
µ
µ
≈
×=
×∆=
P
IVP
48476
∆∆∆∆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 produtoocalcular
(A)ampereem(V)voltem
IVP ×∆=
L
E
D
COR ∆∆∆∆Vmin em
volt
Imin em
microamp
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
8
6
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 pilha
biológica como, por exemplo, fruta imprópria para consumo ou tales
de vegetais ou bolotas das árvores ou …; uso de parafusos e outros
metais de materiais reciclados para servirem de elétrodos na pilha
biológica;
• uso de constituintes de materiais reciclados para servirem de
componentes nos circuitos elétricos, como por exemplo, LEDs,
lâmpadas de natal, buzinas, motores, partes de brinquedos, relógios
digitais avariados, calculadoras avariadas, etc;
• uso de fios condutores de materiais reciclados para eléctrodo
positivo 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)
Rádio
despertador
altifalante,
Ecrã LCD ou LED
Headfones
altifalantes fio cobre
Brinquedo
elétrico
não, em
geral
Em geral: motores,
ecrã LCD, …
Em geral: Caixa de
associação pilhas, …
Pilhas de carvão
3R12 (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 µµµµA
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 com
um dos materiais da
caixinha (prego de
ferro, cilindro de
carvão, anel de cobre,
parafuso de bronze,
parafuso de ligação na
pilha ) ligado a
amperímetro em série.

• 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.

• E7: Lâmpada;
• E8: Fio condutor térmico enrolado
num termómetro de vidro,
contendo tolueno com corante
vermelho, em suporte metálico
(https://www.fishersci.com/shop/
products/metal-back-
thermometers-3/p-2371607);
• E9: Prego de ferro com fio
condutor enrolado.
E9
E8
E7

Que componentes elétricas
funcionam com a microeletricidade?
Montagem de um circuito incluindo uma pilha biológica. Experimentar a
inclusão de um dos componentes elétricos que irá ser fornecido pelos
formadores 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 pilhas
biológicas em série (moeda num fruto ligado a parafuso no outro
fruto e assim sucessivamente) . Experimentar a inclusão de um
dos componentes elétricos que irá ser fornecido pelos
formadores.
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 e
assim sucessivamente. Experimentar a inclusão de um dos componentes elétricos
que irá ser fornecido pelos formadores.

Como reciclar um rato?
• Com uma chave de parafusos
desaparafusar o(s) parafuso(s) na
parte inferior do rato (este(s)
parafuso(s) poderão servir de
elétrodos negativos numa futura
pilha biológica se não estiverem
envernizados);
• Separar, com um pouco de
pressão, a parte superior da
parte inferior do rato
• O rato contém, além do chassi
de plástico:
– uma roda em borracha
com uma haste central de
plástico que poderá servir
como um peão,
– Uma placa eletrónica
contendo um LED vermelho
em bom estado (em geral);
– Um fio elétrico que poderá
servir para efetuar ligações
…
LED
peão
parafuso
Chassi de
plástico
Fio elétrico
Chave 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

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
professores de 8/3 para as pilhas biológicas

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 (acedido
a 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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