Biología

Fontes de tensão: conversão de energia e exemplos

Tensão e fontes de tensão


Quanto mais alta a tensão em uma fonte de energia, mais forte é a corrente de energia.
O tamanho da tensão controla a potência

As fontes de tensão são os heróis anônimos de nossas vidas eletrônicas. Sem eles, os elétrons nunca seriam motivados a alimentar os circuitos de nossos telefones celulares, laptops, TVs ou qualquer outro dispositivo eletrônico. Você já deve ter adivinhado que as baterias são um tipo de fonte de tensão. Outro tipo é o gerador da usina que fornece eletricidade para sua casa. Vamos examinar esses dois tipos de fontes de tensão em detalhes para entender melhor como funcionam, mas primeiro precisamos falar sobre tensão.

Voltagem é o potencial de um grupo de partículas carregadas para trabalhar em um circuito elétrico. Em termos práticos, os elétrons com uma voltagem mais alta acenderão uma lâmpada com mais intensidade ou girarão um motor mais rápido do que os elétrons com uma voltagem mais baixa. Para comparar esse comportamento a algo um pouco mais tangível, podemos dizer que a voltagem age de maneira muito semelhante à pressão da água. Uma mangueira de incêndio de alta pressão fará girar a roda de uma bicicleta muito mais rápido do que uma mangueira de jardim de baixa pressão. Assim como a pressão empurra a água por um tubo, a voltagem empurra os elétrons por um circuito.

Baterias

As baterias são um dos tipos mais comuns de fontes de tensão em nosso dia-a-dia. Existem muitos tipos diferentes de baterias, mas todos têm uma coisa em comum: uma bateria usa reações químicas para gerar voltagem. Cada bateria consiste em dois eletrodos feitos de metais diferentes e uma solução eletrolítica que auxilia nas reações químicas. Na extremidade positiva da bateria está um eletrodo, denominado cátodo, e na extremidade negativa está o outro eletrodo, denominado ânodo.

As reações químicas entre os eletrodos e o eletrólito fazem com que os elétrons se movam do ânodo para o cátodo dentro da bateria. O acúmulo de elétrons no ânodo é o que gera a voltagem. No entanto, para manter a reação química em andamento, o déficit de elétrons no ânodo precisa ser mitigado e eles não podem voltar por onde vieram. Para equilibrar a carga, temos que fornecer um caminho externo à bateria na forma de uma ponte de sal. Essa ponte salina é composta por uma substância iônica que fornece íons negativos ao ânodo conforme os elétrons se afastam dela em direção ao cátodo. Uma vez que os elétrons são tão energéticos e motivados para ir do ânodo ao cátodo, podemos colocar algo como uma lâmpada ou um motor no circuito para fazer com que os elétrons façam algum trabalho útil ao longo do caminho


As reações químicas fazem com que os elétrons se movam do ânodo para o cátodo.
Diagrama de componentes da bateria

Como todos sabemos por experiência, as baterias perdem sua tensão em algum ponto. Isso acontece quando todos os reagentes químicos da bateria se esgotam e não podem mais sustentar as reações. No entanto, alguns tipos de baterias podem ser recarregados, como as de nossos celulares, laptops ou carro. As baterias recarregáveis ​​são feitas de materiais especiais que usam reações químicas reversíveis. Ao aplicar uma fonte de voltagem mais forte nos terminais da bateria, os elétrons podem fluir para trás, do cátodo de volta para o ânodo. Isso é o que acontece quando você coloca baterias recarregáveis ​​no carregador.

Revisitando nossa analogia com a água anterior, podemos pensar em uma bateria como um daqueles tanques de água gigantescos que você vê em algumas cidades pequenas. Você já se perguntou por que esses tanques são tão altos? Bem, você vê, conforme você coloca a água cada vez mais alto, a pressão disponível no solo aumenta, o que significa que a água pode fazer mais trabalho quando sair.

É como aumentar a voltagem de nossa bateria para que os elétrons trabalhem mais quando fluem em um circuito elétrico. As semelhanças não param por aí. Assim como nossa bateria só pode fornecer tensão por um certo tempo, o tanque de água acabará ficando sem água e a pressão cairá quando a última parte acabar.

Geradores

Os geradores são responsáveis ​​por quase toda a energia que chega à sua casa. Nuclear, carvão ou gás natural são consumidos em uma usina para produzir vapor, que gira uma turbina acoplada a um gerador. As energias hidrelétrica e eólica usam um fluido em movimento (água ou ar) para girar o gerador diretamente. Não importa com qual recurso você comece, todos os geradores usam energia mecânica para gerar voltagem.


Em uma usina de energia, o vapor produzido gira a turbina do gerador e cria eletricidade.
Steam gira turbina gerador

Em sua forma mais simples, um gerador não pode ser feito de nada mais do que um ímã e um pedaço de fio. Mova o ímã além do fio e, por um breve momento, os elétrons no fio se moverão todos para uma extremidade, o que gera uma voltagem. A capacidade de um campo magnético variável de exercer uma força sobre partículas carregadas, como elétrons, é chamada de indução eletromagnética .

Se conectarmos este fio a um circuito completo, poderemos fazer com que os elétrons circulem rapidamente pelo loop. O problema com este gerador simples é que, uma vez que o ímã passa, os elétrons se redistribuem para seus lugares originais e a voltagem desaparece. Em um gerador do mundo real, esse problema é resolvido organizando muitos ímãs em um eixo giratório, de modo que, à medida que um ímã se move, outro toma seu lugar, garantindo que os elétrons continuem se movendo.

Voltando à nossa analogia com a água, podemos pensar em um gerador como uma bomba d’água. Um gerador ‘bombeia’ elétrons para uma voltagem mais alta para fazê-los se mover através de um circuito elétrico, assim como uma bomba de água bombeia a água para uma pressão mais alta para fazê-los se mover através de um tubo. Existe até uma semelhança quando se trata de velocidade. Se você girar uma bomba d’água mais rápido, ela gerará uma pressão de água mais alta. Da mesma forma, girar um gerador mais rápido irá gerar uma tensão mais alta.

Outros tipos de fontes de tensão

Embora baterias e geradores sejam os tipos mais comuns de fontes de tensão, eles não são os únicos. Os painéis solares fotovoltaicos convertem a energia da luz do sol por meio de um fenômeno conhecido como efeito fotoelétrico. Os geradores termoelétricos podem converter energia térmica diretamente em energia elétrica, mas não são muito usados ​​porque são caros e não muito eficientes. Existem materiais, conhecidos como piezoelétricos, que geram uma voltagem muito pequena quando comprimidos, mas não o suficiente para alimentar muita coisa. As células a combustível de hidrogênio convertem energia química, semelhante a uma bateria, mas podem continuar gerando voltagem desde que o hidrogênio e a água sejam alimentados continuamente.


Os painéis solares são outro tipo de fonte de tensão.
Fonte de tensão do painel solar

Como você pode ver, existem muitos tipos diferentes de fontes de tensão, mas muitas delas ainda não são boas alternativas para baterias e geradores. O único aspecto comum que une todas as fontes de tensão é que elas pegam um tipo de energia e o convertem em energia elétrica para gerar uma tensão.

Resumo da lição

Vamos revisar o que aprendemos. As fontes de tensão são responsáveis ​​por fornecer energia aos elétrons para trabalhar em um circuito elétrico. As baterias são um tipo de fonte de tensão que converte energia química em energia elétrica para gerar uma tensão. As reações químicas entre os eletrodos e o eletrólito fazem com que os elétrons se movam do ânodo para o cátodo da bateria. Uma ponte salina externa permite que uma carga negativa flua para o ânodo para sustentar as reações químicas.

Energia nuclear, carvão, gás natural, hidrelétrica e eólica usam geradores para gerar voltagem. Os geradores usam ímãs móveis e indução eletromagnética para empurrar os elétrons em um fio em uma direção, o que gera uma tensão. Existem muitos tipos diferentes de fontes de tensão, mas todas têm uma coisa em comum: pegam um tipo de energia e a convertem em energia elétrica para gerar tensão.

Resultado de aprendizagem

Depois de ver este vídeo, você deverá ser capaz de:

  • Identificar fontes de tensão
  • Explique a energia química para produzir voltagem
  • Descreva a indução eletromagnética na criação de energia para geradores
  • Determine fontes alternativas de tensão